Svaret på den eviga frågan om vad som är det minsta i universum har utvecklats tillsammans med mänskligheten. Människor trodde en gång i tiden att sandkorn var byggstenarna i det vi ser omkring oss. Sedan upptäcktes atomen, och man trodde att den var odelbar, tills den delades för att avslöja protoner, neutroner och elektroner inuti. Även dessa verkade vara grundläggande partiklar, innan forskarna upptäckte att protoner och neutroner består av tre kvarkar vardera.

”Den här gången har vi inte kunnat se några som helst bevis för att det finns något inuti kvarkarna”, säger fysikern Andy Parker. ”Har vi nått det mest grundläggande lagret av materia?”

Och även om kvarkar och elektroner är odelbara, sade Parker, vet forskarna inte om de är de minsta bitarna av materia som finns, eller om universum innehåller objekt som är ännu mer små.

Parker, som är professor i högenergifysik vid Cambridge University i England, var nyligen värd för en tv-special på den brittiska kanalen BBC Two med titeln ”Horizon: How Small is the Universe?”

Strängar eller punkter?

I experiment tycks pyttesmå, små partiklar som kvarkar och elektroner agera som enstaka punkter av materia utan någon rumslig fördelning. Men punktliknande objekt komplicerar fysikens lagar. Eftersom man kan komma oändligt nära en punkt kan de krafter som verkar på den bli oändligt stora, och forskare hatar oändligheter.

En idé som kallas supersträngteori skulle kunna lösa detta problem. Teorin utgår från att alla partiklar, i stället för att vara punktliknande, faktiskt är små slingor av strängar. Ingenting kan komma oändligt nära en strängslinga, eftersom det alltid kommer att vara något närmare en del än en annan. Detta ”kryphål” tycks lösa en del av problemen med oändligheten, vilket gör idén tilltalande för fysikerna. Ändå har forskarna fortfarande inga experimentella bevis för att strängteorin är korrekt.

Ett annat sätt att lösa punktproblemet är att säga att själva rymden inte är kontinuerlig och jämn, utan faktiskt består av diskreta pixlar, eller korn, som ibland kallas för rymdtidsskum. I det fallet skulle två partiklar inte kunna komma oändligt nära varandra eftersom de alltid skulle behöva vara separerade med minsta storleken på ett rymdkorn.

En singularitet

En annan utmanare till titeln minsta sak i universum är singulariteten i centrum av ett svart hål. Svarta hål bildas när materia kondenseras i ett tillräckligt litet utrymme så att gravitationen tar över, vilket gör att materian dras inåt och inåt och slutligen kondenseras till en enda punkt med oändlig täthet. Åtminstone enligt fysikens nuvarande lagar.

Men de flesta experter tror inte att svarta hål verkligen är oändligt täta. De tror att denna oändlighet är en produkt av en inneboende konflikt mellan två rådande teorier – allmän relativitetsteori och kvantmekanik – och att när en teori om kvantgravitation kan formuleras kommer svarta håls sanna natur att avslöjas.

”Min gissning är att de är ganska mycket mindre än en kvark, men jag tror inte att de har oändlig täthet”, säger Parker till LiveScience. ”Troligtvis är de kanske en miljon miljoner gånger eller till och med mer än så mindre än de avstånd vi har sett hittills.”

Det skulle göra singulariteter ungefär lika stora som supersträngar, om de existerar.

Planck-längden

Supersträngar, singulariteter och till och med universums korn kan alla visa sig vara ungefär lika stora som ”Planck-längden”.

En Plancklängd är 1,6 x 10^-35 meter (talet 16 föregås av 34 nollor och en decimalpunkt) – en obegripligt liten skala som är inblandad i olika aspekter av fysiken.

Plancklängden är alldeles för liten för att något instrument ska kunna mäta den, men utöver det anses den representera den teoretiska gränsen för den kortaste mätbara längden. Enligt osäkerhetsprincipen bör inget instrument någonsin kunna mäta något mindre, eftersom universum vid detta avstånd är sannolikhetsmässigt och obestämt.

Denna skala anses också vara gränslinjen mellan den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken.

”Den motsvarar det avstånd där gravitationsfältet är så starkt att det kan börja göra saker som att skapa svarta hål av energin i fältet”, säger Parker. ”Vid Planck-längden förväntar vi oss att kvantgravitationen tar över.”

Kanske är alla universums minsta saker ungefär lika stora som Planck-längden.

Följ Clara Moskowitz på Twitter @ClaraMoskowitz eller LiveScience @livescience. Vi finns även på Facebook & Google+.