Forskningens oväntade resultat

2013-06-12 06:13  

Ingen vet när och var grundforskning kan komma till praktisk användning. När elektron­spinnet upptäcktes år 1925 kunde väl ingen ana att fenomenet åttio år senare skulle leda till utvecklingen av magnetkameror som kan se vilka delar av hjärnan som aktiveras när vi tänker.

Låt oss ta det hela i tur och ordning från början. På 1860-talet undersökte de tyska fysikerna och kemisterna Robert Bunsen och Gustav Kirchhoff varför olika grundämnen gav olika färgat ljus när de upphettades i en gaslåga. När de delade upp ljuset i ett glasprisma fann de att ljuset inte var ett kontinuerligt spektrum, utan bara bestod av vissa emissionslinjer. Som EAN-koder, olika för varje grundämne.

Därefter frågade de sig vad som hände om de utsatte ljuskällan, den glödande gasen, för ett starkt magnetfält. Hände det något då? Ja, faktiskt. Det visade sig att emissionslinjerna förflyttades en smula. Men varför det?

Vid 1900-talets början hade fysiken tagit jättesprång framåt. Ernest Rutherford hade funnit att atomen består av en positivt laddad kärna med ett moln av elektroner runt sig. Niels Bohr visade att elektronerna kan anta olika energitillstånd, och när en exciterad elektron faller tillbaka till en lägre energinivå sänder den ut ett ljuskvanta. Men det var en hel del besynnerligheter som man inte hade någon förklaring på. Som det där med att ett magnetfält får emissionslinjerna att ändra plats.

Hösten 1925 lade doktoranderna Samuel Goudsmit och George Uhlenbeck vid universitetet i Leiden fram en märklig teori. De föreställde sig elektronerna som små snurrande elektriskt laddade sfärer som genom sin rotation fungerar som små magneter.

I normala fall pekar elektronernas magnetpoler slumpvis i alla riktningar, men lägger man på ett yttre magnetfält linjerar de sig prydligt med polerna i samma riktning. Det får till effekt att emissionslinjerna förskjuts. Goudsmit och Uhlenbeck kallade denna egenskap hos elektronerna för ”spinn”.

Uppsatsen väckte en storm av protester hos renommerade elektronforskare och avfärdades som rena struntpratet. För att elektronerna skulle kunna skapa egna magnetfält måste de rotera så fort att deras yta rör sig med en hastighet högre än ljusets, och det går ju inte. Och hur var det med ­materie-vågdualismen? En elektron kan ju både ses som en partikel och som en vågrörelse. Och en våg kan väl inte rotera?

Men andra fysiker nappade på idén om att elektronen hade spinn. Exakt vad denna mystiska egenskap egentligen var behövde man inte gå in på närmare, huvudsaken var att forskarna kunde räkna på saken, förklara tidigare oförklarade fenomen och ge förutsägelser vid nya experiment.

På 1930-talet visade det sig också att även atomkärnor och molekyler har spinn. Spinnet blev en av grundpelarna i kvantfysiken, ett kvanttillstånd av samma dignitet som elektrisk laddning. Men kunde man ha det till något? Hade spinnet, som elektriciteten, någon praktisk användning?

Jo, faktiskt, visade nya experiment.

Vad hände till exempel om man tillförde lite energi i form av radiovågor till spinnande uppradade molekyler i ett magnetfält? Jo, om energin – våglängden – hos strålningens kvanta överensstämde med atomkärnorna uppstod ett resonansfenomen som fick atomerna att vända sig upp-och-ner. Och när man stängde av vände de tillbaka och utsände en foton var. Tillsammans blev det en signal man kunde detektera och analysera.

Eftersom olika atomer och molekyler har olika resonansfrekvenser och tog olika tid på sig att vända tillbaka kunde man genom att välja lämpligt magnetfält och radiostrålning få en signal som berättade vilka atomer och molekyler som fanns i det prov man undersökte. Man hade med hjälp av spinnet funnit en ny kemisk analysmetod!

Men inte nog med det. Det visade sig att metoden, som nu kallade NMR – Nuclear Magnetic Resonance – kunde användas inom ett helt annat fält.

Redan 1895 hade William Konrad Röntgen upptäckt röntgenstrålarna, och de hade kommit till god användning inom sjukvården för att fotografera det inre av människokroppen. På 1970-talet utvecklades röntgentekniken ytterligare. Med hjälp av kraftfulla datorer och strålning från olika riktningar kunde man ta tredimensionella röntgenbilder. Tekniken kallas CT-scan – Computer Tomography – datortomografi, även känd som skiktröntgen.

En man vid namn Raymond Damadian föreslog nu att man skulle kunna använda samma datoriserade bildteknik som i datortomografen för att skapa bilder av människokroppens inre – men utan farlig röntgenstrålning – med hjälp av atomernas spinn. Han var först med att skapa en apparat där en hel människokropp kunde skannas i ett magnetfält, men tyvärr gav hans tidiga apparat suddiga bilder utan värde. Han skriade i himlens höjd när han förbigicks och Nobelpriset 2003 gick till forskarna Paul Lauterbur och Peter Mansfield för uppfinningen av MRI – Magnetic Resonance Imaging – det som vi i dag kallar magnetkameran.

Men användningen av de spinnande molekylerna skulle förfinas ytterligare. Redan Faraday på 1850-­talet hade upptäckt att syrerikt och syrefattigt blod har olika magnetiska egenskaper. Detta faktum används i fMRI – funktionell MRI – som tar bilder av blodflödet i kroppen. Och nu kommer det riktigt intressanta. När hjärncellerna arbetar gör de av med energi och förbrukar syre. Genom att mäta hur syremängden varierar momentant kan man se vilka delar av hjärnan som arbetar när vi tänker på olika saker eller rör olika kroppsdelar.

Så har upptäckten av ett obegripligt kvanttillstånd hos atomerna lett fram till apparater som har revolutionerat sjukvården och numera finns på varje välutrustat sjukhus. Så säg inte att grundforskning inte lönar sig!

Mer om detta och mycket annat finns att läsa i vetenskapsjournalisten Peter Sylwans nya bok ”Att upptäcka det oväntade.”

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer