När man skriver 1900-talets historia är det ett ord man måste betona starkare än alla andra, starkare än politikernamn som Hitler eller Stalin, starkare än artistnamn som Chaplin eller The Beatles, starkare än namn på idrottsstjärnor som Carl Lewis eller Paavo Nurmi. Ordet är atom. Atomen genomsyrar fullståndigt vår världsbild, från vår vardag till de mest avancerade fysikexperimenten. Hela vår förståelse för hur världen är uppbyggd utgår från atombegreppet: all materia är uppbyggd av atomer. Och en mängd praktiska tillämpningar, som radikalt påverkar vår vardagsvärld, utgår från förståelsen av atomen. Dagens datorer och mobiltelefoner, för att ta några exempel, vore otänkbara utan att de som konstruerar dem känner till hur atomer fungerar.

Atomen firar i dagarna ett viktigt 100-årsjubileum. Det var i juli 1913 som den unge danske fysikern Niels Bohr publicerade sitt epokgörande arbete om hur atomerna ser ut och hur de bär sig åt när de sänder ut och tar emot ljus. Detta jubileum firas i år av fysiker världen över. Och det förtjänar verkligen att uppmärksammas också utanför fysikernas trängre krets.

– – –

✔ Här kommer nu Niels Bohr in med sina teorier från 1913. Han hade rätt nyligen blivit doktor vid Köpenhamns universitet på en avhandling kring andra fenomen som heller inte kunde förklaras med de då accepterade naturlagarna. Han söker sig till Rutherford i Manchester, som post-doc skulle vi säga i dag, och börjar fundera på vad som fordras för att få dennes atommodell att fungera.

Tillbaka i Köpenhamn faller allt på plats för honom. Idéerna kommer naturligtvis successivt, men närmast en uppenbarelse är det när han får klart för sig Balmers och Rydbergs formler för ljusutsändningen. Han bygger sitt resonemang på de teorier om hur ljus i vissa sammanhang måste uppfattas som om det består av små ljuspaket, kallade ljuskvanta eller (senare) fotoner. Den föreställningen hade förts in av den tyske fysikern Max Planck och på allvar lanserats av Einstein under hans mirakulösa år.

Bohr tar en serie drastiska steg. Han säger helt sonika att elektronerna i Rutherfords atommodell bara kan röra sig i vissa bestämda, kvantiserade banor kring atomkärnan, bestämda bland annat av villkor liknande dem som Planck och Einstein ställt upp för ljuset. En av dessa banor är, föreskriver Bohr, alltid stabil; det är den som ligger närmast atomkärnan. Vidare, säger han, kan en elektron hoppa från en bana till en annan längre ut när atomen träffar ljus av precis rätt färg. Vilken färg det är bestäms helt och hållet av skillnaden i energierna för de två banorna. Och ljus av precis samma färg sänds ut när en elektron hoppar från en yttre bana till en inre.

Det låter ju inte riktigt klokt att helt sätta åt sidan sådana invanda föreställningar som att partiklar, elektroner, kan röra sig i vilka banor som helst. Och hur kan de på något okänt vis hoppa mellan dessa banor? Finessen med Bohrs antaganden, som alltså har formen av (provisoriska) naturlagar, är förstås att han nu fullständigt kan förklara Balmers och Rydbergs formler för ljusutsändning. Han kan till och med gå vidare och förklara hur hans atomer också kan beskriva den kemiska atomen. Det är här storheten i hans upptäckt ligger och det som är värt att fira med årets hundraårsjubileum. I ett huj har han fått fysikernas och kemisternas atomer att bli en enda, Bohr-Rutherfords atom. Naturligtvis, det måste tilläggas, accepterades Bohrs föreslag inte genast av alla, men Einstein lär ha sagt: ”Det är en av de största upptäckterna. Bohrs teori måste vara korrekt.”

* * *

✔ För egen del var Bohr intensivt medveten om att hans förslag till (provisoriska) naturlagar var just det: provisoriska. För alla fysiker i branschen, inklusive Bohr själv, blev det nu att arbeta vidare för att ännu bättre förstå elektronernas dans runt atomkärnan i en atom. Resultatet kom efter ytterligare ett drygt decennium och skulle bli det som kallas kvantmekaniken. Den innebär ännu större avsteg från tidigare naturlagar än Bohrs provisoriska och gäller inte bara elektroner i atomer utan över huvud taget allt som sker på atomär och subatomär nivå. Och när jag säger allt så menar jag allt. Kvantmekaniken har bestått alla prövningar. Inga experiment eller teorier har kunnat vederlägga den. Dagens förståelse för materiens innersta struktur i form av kvarkar och leptoner bygger på denna kvantmekanik. Förutsägelsen och den nu så uppmärksammade upptäckten av Higgspartikeln är den senaste kronan på det verket.

* * *

✔ Problemet med kvantmekaniken, om det nu är ett problem, är att den ställer många av våra vanliga föreställningar om hur naturen uppför sig på huvudet. Visserligen gäller fortfarande dessa tidigare föreställningar för det mesta i vår vardagsvärld, där det är fråga om att beskriva många atomer i klump. Men kvantmekaniken är nödvändig när vi skall beskriva enskilda eller några få atomer, elektroner eller andra atomdelar.

Inte minst Bohr själv brottades intensivt med frågan om att försöka förstå kvantmekanikens egenheter. Är en elektron en partikel eller en våg? Bohr menar att den kan vara än det ena än det andra, beroende på hur man mäter den. Och hur kan det vara att kvantmekaniken inte beskriver elektronerna som att de rör sig i banor runt atomkärnan, på sin höjd att det finns ett moln av sannolikhet, vad det nu betyder, för var man kan finna en elektron? Här har inte ens Bohr något gott svar. Han menar att man nog får acceptera att naturen på atomär nivå måste beskrivas så. För, säger han bland annat, vi är fast i det språk vi använder för att beskriva vår normala omgivning, och detta språk är inte alltid lämpat för att beskriva vad som sker bland atomer.

Kvantmekaniken är alltså en enormt framgångsrik teori. Den förklarar alla hittills kända fenomen kring atomerna och dess delar. Men åskådligheten har förlorats: vi kan inte göra oss helt korrekta bilder av de atomära förloppen. Trots detta så står sig än i dag den Bohr-Rutherfordska atommodellen som ett användbart verktyg för att förstå atomer, att användas med urskillning när det gäller detaljer men som ett gott stöd för tänkandet kring atomernas förunderliga värld. Bohrs ande svävar i hög grad också över dagens fysik.

***

Den som vill läsa understreckaren i  dess helhet rekommenderas Svenskans sida på nätet.