X
Annons
X

Ulf Danielsson: Universums minsta beståndsdelar är strängar

Med den s k strängteorin försöker man i dag förbinda det minstas fysik med gravitationen som styr universums öde. Teorin säger att universums minsta beståndsdelar är strängar, inte partiklar. Den tycks visa att allt finns i allt, att det lilla och det stora är en enhet.

I slutet av augusti hölls ett Nobelsymposium på temat kosmologi på Haga slott utanför Enköping. Flera av världens mest framstående forskare hade samlats för att diskutera de senaste landvinningarna vad gäller förståelsen av det universum vi lever i. Tiden var lämpligt vald, kosmologin, partikelfysiken och den teoretiska fysiken gör för närvarande stora framsteg i att förstå de djupaste av frågor. Alltmer framgår det hur fysiken för det allra minsta och fysiken för det allra största är delar av samma enhet.

I ljuset av detta är C P Snow med sina två kulturer mer aktuell än någonsin. Hur skall naturvetenskapens framsteg när det gäller att ge svar på de yttersta frågorna kunna göras tillgängliga för fler än de i den innersta kretsen? På vilket sätt påverkar resultaten religionen och filosofin, vårt sätt att förhålla oss till tillvaron? Ingen kan lämnas oberörd och intresset att ta del av de nya landvinningarna är utbrett.

Min egen personliga erfarenhet kommer från undervisning på kursen Fysik för poeter som efter start vid Uppsala Universitet fått efterföljare på flera platser i landet. Dessa och andra initiativ representerar ett försök att överbrygga ett växande avstånd mellan naturvetenskapen och andra delar av samhället. En alltmer utbredd vidskepelse bland människor svältfödda på visioner kan bara botas genom att man visar hur outgrundligt underbar den verkliga, av naturvetenskapen utforskade världen är. Grunden måste emellertid vara förståelse, det gäller att inte slarva bort allt det spännande nya i kvasifilosofiska grubblerier.

Annons
X

Få ämnen har blivit så misshandlade av såväl vetenskapare som lekmän som kosmologin. När satelliten COBE kartlade den kosmologiska bakgrundsstrålningen förkunnade projektets ledare att vi nu sett Guds ansikte! Det var en rejäl överdrift som inte tjänar något till. Inte desto mindre ger just bakgrundsstrålningen viktiga ledtrådar om universums första ögonblick. Den härstammar från en tid ungefär 300 000 år efter skapelsen då dimmorna skingrades och universum för första gången blev genomskinligt. Genom att noggrant studera denna strålning håller man på att ta fram ett slags universums EKG som visar hur väldiga gasmoln i urtiden vibrerade och pulserade. Detta berättar mycket om hur universum var, och är, beskaffat och man söker också efter de frön som långt senare skulle ge upphov till våra dagars galaxer och stjärnor. Vi kan måhända inte se Guds ansikte, men vi kan se delar av skapelseakten.

Man kan ta sig ännu längre tillbaka mot det första ögonblicket. Fysikens lagar tillåter att vi räknar oss fram till förhållanden blott någon bråkdel av en sekund efter skapelsen. Riktigt ända fram kan man emellertid inte komma – än. Den kända fysikens lagar bryter ihop och skapelsen döljer sig i en skrud av matematiska paradoxer. För vissa kanske detta känns trösterikt emedan det då finns ett okänt som vetenskapen inte kan säga något om, ett område där fantasin och religionen får fritt spelrum. Erfarenheten visar emellertid att det inte finns något sådant reserverat område dit det mänskliga förnuftet för alltid är bannlyst. Inget av det förnimbara utesluter en vetenskaplig beskrivning. Det är därför möjligt att vi snart kan beskriva hur universums skapelse gick till. Skapelsen är ett naturfenomen som vilket annat som helst. Frågor av arten: vad fanns dessförinnan, är i sig inte underligare än mycket av det vi redan tror oss ha bemästrat.

Denna artikel var införd i SvD den 27 september 1998.

Det riktigt underliga är ju egentligen inte skapelsen, utan existensen av universum eller snarare något överhuvudtaget. Detta ligger bortom naturvetenskapen som vi känner den och är måhända en fråga för filosofin. Ekvationer och naturlagar skiljer inte på verklighet och simulering. Det är en sak att ge ett fullständigt recept på hur ett universum skall se ut och hur det kan bli till, en annan att göra det verkligt. Naturvetenskapen beskriver världen, inget annat.

Det grundläggande genombrott som gjorde alla dessa framsteg möjliga härstammar från Newton. Insikten att det är samma lagar som styr ett äpples fall på jorden och planeternas rörelser i himlen måste vara en av världshistoriens mest vidunderliga uppenbarelser. Så som i himmelen så ock på jorden. Den fysik man utvecklade i simpla jordbundna laboratorium kunde man förbluffande nog även använda för att förstå himlens natur. Lord Kelvin försökte i enlighet med detta räkna ut solens ålder genom att tänka sig att solens energi hade sin källa i en långsam sammandragning; en rimlig hypotes i ljuset av vad man då kände till.

Resultatet blev emellertid futtiga 30 miljoner år. Detta var i uppenbar konflikt med vad geoleogerna menade, ty dessa såg i stället evigheten. Med den tongivande 1700-tals geologen James Huttons ord: ''No vestige of a beginning, no prospect of an end''. Darwin behövde likaså längre tid för det naturliga urvalet att göra sitt arbete och såg i Lord Kelvins beräkningar ett svårbemästrat mysterium. I och med det nya tjugonde seklet kom emellertid kvantmekaniken och den nya fysiken för atomens inre. Sålunda kunde man med hjälp av kärnfysiken lösa solens energiproblem och de nödvändiga årmiljarderna stod äntligen tillbuds.

Men universum självt, hur länge har det funnits? I evigheter? En ledtråd finns i svaret på frågan: Varför är det mörkt om natten? I ett oändligt universum som alltid existerat måste synlinjen alltid nå ytan av en stjärna om man blickar tillräckligt långt. Himlen borde vara lika ljus som ytan av själva solen! Varför är den inte det? Lösningen är universums ändliga ålder, vi kan inte se längre än det att ljuset hunnit fram sedan skapelsen. På många sätt kan man säga att det mest intressanta med natthimlen är mörkret mellan stjärnorna, där vi ser nödvändigheten av en skapelse.

Dessa och andra ledtrådar var emellertid länge inte alls på modet. Inte ens Einstein med sin nya teori för gravitationen, den allmänna relativitetsteorin, kunde slita sig loss från den förhärskande bilden av ett statiskt universum. Till sitt förtret insåg Einstein att de ekvationer han funnit inte tillät ett evigt existerande världsallt. Han såg sig därför tvungen att finna en utväg, ett sätt att förändra ekvationerna så att ett statiskt universum blev möjligt.

Lösningen blev den kosmologiska konstanten. Men Einstein kan misstänkas ha haft även andra, mer grumliga skäl till sitt tilltag. Ett expanderande universum leder ju osökt till tanken på ett ursprung, en skapelse, det som senare skulle ges namnet Big Bang. Steget från en skapelse till en skapare är inte långt. Nog vore ett statiskt universum vetenskapligt tryggare? En sådan världsbild borde vara bättre rustad att stå emot religiösa spekulationer. I någon mening infördes alltså den kosmologiska konstanten som ett sätt att slippa en skapande Gud.

Precis som Einstein hade Newton i sin mekanik långt tidigare funnit det svårt att upprätthålla ett statiskt universum. Till skillnad från Einstein sökte emellertid Newton i detta tecken på en gudom, och föreställde sig Gud som upprätthållare av den jämvikt som fysiken inte förmådde. Ironin är påtaglig. Einstein eftersträvade ett statiskt universum för att slippa en Gud, medan Newton i det statiska universum såg Guds hjälpande hand.

Båda hade fel. Universum är inte statiskt, det utvecklas och expanderar. Edwin Hubble upptäckte på 1920-talet rödförskjutningen i ljuset från avlägsna galaxer, vars enda rimliga förklaring är ett ständigt växande universum. Senare tiders observationer av fenomen belägna allt längre bort, och därför allt längre tillbaka i tiden, visar otvetydigt en värld som åldras och utvecklas. Vad lär vi oss av detta? Naturen går sin egen väg oavsett våra fördomar och idéer om hur världen borde vara inrättad.

Inte desto mindre har man nu funnit en kosmologisk konstant som emellertid inte fyller den funktion som Einstein en gång föreställde sig. Einstein hade tänkt sig en exakt balans där materiens gravitation vägdes upp av en anti-gravitation från den kosmologiska konstanten och på så sätt tillät ett statiskt universum. I vår värld har emellertid den kosmologiska konstanten tagit överhanden. Upptäckten av den kosmologiska konstanten gjordes genom noggranna studier av exploderande stjärnor, supernovor, i avlägsna galaxer. Stjärnexplosionerna berättar om hur långt borta galaxerna befinner sig och därmed om hur långt tillbaka i tiden vi ser. Ljusets färg berättar om hur fort universum utvidgade sig - då. På detta sätt kan man räkna ut hur universums expansion förändrar sig över tidsåldrarna.

Många kosmologer pustar ut och välkomnar upptäckten. Mätningar med det stora rymdteleskopet Hubble hade tidigare tyckts visa att universum utvidgades för fort. När man räknade tillbaka syntes det vara alltför ungt, blott 10 miljarder år gammalt. De äldsta stjärnorna, medlemmar av ålderdomliga stjärnhopar i galaxernas utkanter, bedömdes vara många årmiljarder äldre än så. Men ett accelererande universum måste ha utvidgats långsammare längre tillbaka i tiden och kan på så sätt vara äldre. Paradoxen är löst.

I allt detta finns också oväntade kopplingar till fysiken för det allra minsta. Genom studier av galaxers rörelser har man länge vetat att det finns mer materia i universum än vad som är synligt som stjärnor. Ett okänt något gömmer sig i mörkret som sliter och vrider på galaxer och stjärnor genom sin gravitationskraft: den mörka materien. Vad kan det vara? Misslyckade dödfödda stjärnor har framförts som en möjlighet, massiva neutriner som en annan.

Neutrinon är en partikel som omärkligt kan korsa ljusår av bly och troddes länge sakna massa. Nyligen har emellertid observatorier djupt nere i japanska grottor lyckats mäta egenskaperna hos neutriner och funnit att de trots allt väger något lite grand. Fast alltför lite för att ens i de otroliga antal man tror rusar runt i rymden sedan tidernas begynnelse kunna ha något avgörande inflytande på galaxernas rörelser. Troligare är att det finns något helt nytt därute, kanske någon annan av de exotiska partiklar som fysiken för materiens innersta förutsäger.

Samma partikelfysik som kanske kan förklara den mörka materiens mysterium har länge också brottats med den kosmologiska konstantens problem. Tomheten är i partikelfysiken en sjudande soppa av födelse och förintelse vars ständiga bubblande ger upphov till en allestädes närvarande bakgrundsenergi som fungerar precis som en kosmologisk konstant. I partikelacceleratorer världen över kan man mäta och studera effekterna. Det naturliga värdet på denna bakgrundsenergi är emellertid, enligt de primitiva teorier man har, skyhögt över vad som nu uppmätts av astronomerna eller de övre gränser man tidigare kunnat sluta sig till från observationer. Något är fel, mycket fel.

Bakom partikelfysikens lagar finns kvantmekaniken, den kanske underligaste av naturens alla påfund. Kvantmekaniken lär oss att världen i grunden är helt annorlunda än vad vi i vardagslivet inbillar oss. Allt genomsyras av en luddighet och en slump, om än möjlig att beskriva med matematisk exakthet.

Kvantmekaniken tillåter inte bara små partiklar att skapas ur tomma intet utan också hela världar. Med tomma intet avses då en intighet bortom tid och rum, kanske något i stil med den platonska idévärlden där blott möjligheter existerar. Utmaningen blir då att finna de ekvationer som talar om hur de skapade, verkliga, världarna blir att se ut. Kanske det finns många olika möjligheter med vårt universum som blott en. De flesta universa är då sterila och öde utan vare sig stjärnor eller planeter. Andra flödar över av liv, åter andra innehåller små öar av liv i en annars öde rymd, som ju är fallet i vårt universum.

Många har förundrats över hur väl ordnade naturlagarna tycks vara för att liv skall kunna uppkomma. En liten ändring av någon naturkonstant och inget liv är längre möjligt. Men kanske det bara är en slumpens verk. Vi måste ju per definition leva i just ett sådant välavvägt universum, annars skulle vi inte kunna finnas till. Detta är den antropiska principen. Många ryggar inför denna tanke och menar att det är att ge upp, att sluta söka en djupare förklaring och därmed också ovetenskapligt. Likväl kan det vara sant och i princip möjligt att avgöra. Det gäller bara att finna vägar till kunskap om dessa andra universa.

En dag kommer vi att veta. Vi kommer att hitta de nödvändiga ekvationerna som besvarar dessa de djupaste av frågor. Än så länge har det bara funnits gissningar, det som saknas är fysikens heliga graal: en teori för kvantgravitationen. Naturlagar som förbinder det minstas fysik, kvantmekaniken där allt är möjligt, med gravitationen som styr universums öde.

Ett svar börjar emellertid att skönjas. Världen består av strängar. Vårt universum är ett tilltrasslat garnnystan, där de minsta beståndsdelarna inte är partiklar, utan små strängar eller trådar. Matematiken är formidabel och även om mycket av teorin finns där färdig framför våra ögon saknar vi ännu de matematiska verktygen för att tyda vad den vill säga oss. Endast med stor möda avslöjas steg för steg en häpnadsväckande högre dimensionell verklighet där vi i vardagslivet bara skrapar på ytan. Strängteorin finner i sin tur sina rötter i den mytiska M-teorin vars matematiska formulering är en av de största utmaningarna för den teoretiska fysiken.

Den framväxande teorin för kvantgravitationen tycks ha den underbara egenskapen att vara holografisk, en enhet som går utöver allt annat. Kanske något i stil med William Blakes ''to see a world in a grain of sand and a heaven in a wild flower''. Men allt är sprunget ur rigorös matematik och logik och är inget önsketänkande av någon romantisk poet. Det har länge stått klart att förståelse av materiens innersta natur är nödvändig för att förstå universums öde och ursprung. Kanske är det också så att det stora har återverkningar på det lilla. Allt en enhet.

Gåtan håller alltså på att lösas. Varje dag blixtar nya insikter fram genom etern. Vad kommer det att leda till? Kvantmekaniken som föddes i seklets början ur askan av 1800-talets klassiska fysik förändrade 1900-talet. Den teknologiska explosionen med elektronik, informationsteknologi, kärnenergi och modern materialvetenskap är sprungen ur dess sköte. Ingen kan förutse vad som blir resultatet denna gång.

Laddar…
Annons
Annons
X
Bild 1 av 2

Denna artikel var införd i SvD den 27 september 1998.

Bild 2 av 2
Annons
X
Annons
X
Annons
X