Meningen med universum

tt tag på 1990- och 2000-talen verkade det som om strängteorin eller egentligen strängteorierna (det har framlagts sex stycken) inom fysiken var på väg att utvidga människans kunskapshorisont på en anmärkningsvärt sätt. Men på 2010-talet kom ett bakslag.

Materiens uppbyggnad enligt strängteorin. Överst två kristaller. De består av ett stort antal atomer. En atom är i sin tur uppbyggd av en kärna, bestående av protoner och neutroner, samt elektroner, som snurrar runt kärnan. Elektronerna är energisträngar av en viss typ. Protonerna och neutronerna åter är sammansatta av kvarkar, som i sin tur även de utgörs av energisträngar. Bild från Wikipedia.

En fysiker, som börjat tvivla på strängeorin, är den holländska professorn i teoretisk fysik vid universitet i Utrecht, tillika nobelpristagare år 1999, Gerard 't Hooft (prepositionen 't ska uttalas ungefär öt; den är en försvagning av het, alltså svenskans ”den, det”). Hans tvivel är så mycket mera anmärkningsvärd som han bidrog själv med uppslag som utvecklade strängteorin. Han publicerade år 2009 en artikel med rubriken Entangled quantum states in a local deterministic theory (Sammanflätade kvantumtillstånd i en lokal deterministisk teori) (arXiv: 0908.3408, 24/8 2009). I artikeln sade han att den mest uppskattade av strängteorierna, som kallas supersträngteorin ”fortfarande har viktiga luckor och är svår att tolka på en mera fundamental nivå”. Vidare lider teorin av att det är svårt att utgående från den göra ”förutsägelser av betydelse”. Det är onekligen en avgörande naturvetenskaplig brist; Einsteins relativitetsteorier hade sin styrka just i förutsägelserna, som också har mestadels visat sig stämma.

Strängteorierna hade vuxit fram ur behovet att förena det tidiga 1900-talets två stora teorier inom fysiken: Einsteins allmänna relativitetsteori och kvantummekaniken (numera ofta kallad kvantfysik). Srängteoretikerna antar att universums minsta enheter är enormt små endimensionella energisträngar. De bildar de partiklar, som i sin tur bygger upp de krafter och atomer, som i en förlängning konstituerar världsalltet. Det kanske mest fantasieggande i dessa teorier eller korrektare hypoteser är att strängteoretikerna har antagit att det finns fler dimensioner än de fyra vi är förtrogna med (mellan 8 till 26 dimensioner har föreslagits).

I diskussionerna om entropin i svarta hål på 1980-talet gjordes den stora upptäckten att strängteori och informationsteori i flera avseenden beskriver samma sak. Det ledde till en av de märkligaste förslagen hittills att atomernas värld inklusive människan skulle vara holografiska representationer av en information inskriven i en tvådimensionell yta i universums utkanter.

Det mekanistiska universumet

En av förtjänsterna med strängteorierna är att de satt ifråga vår tredimensionella verklighetsuppfattning och därmed Réné Descartes' filosofi. Denne franska filosof, som på latin även benämns Cartesius, levde 1596-1650. Han är mest känd för sin sats Cogito, ergo sum (Jag tänker, alltså finns jag till). Men han tänkte sig också den iakttagbara fysiska verkligheten som alltigenom mekanistisk. Den var alltså uppbyggd som ett gammaldags ur, en analog klocka. Ungefär så föreställde sig också den engelska fysikern Issac Newton (1642-1727) samma verklighet. Ännu hos Albert Einstein (1879-1955) spökar det mekanistiska tänkandet även om han gjorde det relativt.

Men samtidigt som Einstein formulerade sina revolutionerande iakttagelser hände någonting ännu mera radikalt inom fysiken. Det var just uppkomsten av kvantfysiken. Den grundades av den tyska fysikern Max Planck (1858-1947) år 1900 och utvecklades sedan under de följande decennierna av en lång rad betydande teoretiska fysiker, bland dem dansken Niels Bohr (1885-1962). Kvantfysiken beskriver beteendet hos materia och energi i mikrokosmos (i motsats till markrokosmos, den iakttagbara fysiska verkligheten). Kvantfysiken handlar om partiklarnas värld. Den utmärks av en osäkerhetsprincip.

Det problem som snart uppstod var hur man skulle förena Einsteins relativa men säkra fysiska teorier med kvantfysikens osäkerhet. Einstein själv hade svårigheter med kvantfysiken. En av hans berömda uttalanden lyder: ”Gud spelar inte tärning med världen”.

Informationsteorin

Strängteorin tog ett stort steg framåt på 1980-talet, då den lyckades beskriva alla partiklar och sätten som de växelverkade i sammanhängade matematiska formler. Nästa steg var upptäckten av att informationsteorin hade ett entropibegrepp som kunde användas inom fysiken. Denna teori hade på 1940-talet utvecklats av ingenjören Claude Shannon (1916-2001) vid Bells Laboratorium och ligger som grund för dagens datorteknik. Men fysiken kunde ockå använda sig av denna teori för att förklara en del egenheter hos svarta hål. I nästa steg gick det att uppfatta den iakttagbara fysiska verkligheten som ett hologram skapat av information som kommer från universums utkanter. Det kan tolkas så att den iakttagbara fysiska verkligheten skulle var determinerad från början till slut.

I denna essä vill jag bl a diskutera den holografiska principens förhållande till vår livsåskådning. Det är möjligt att jag har fullständigt fel, eftersom jag varken är fysiker eller kvantfysiker utan skriver filosofi. Å andra sidan har det visat sig att fysikerna och i förlängningen kosmologerna samt strängteoretikerna inte är intresserade av filosofi. Det finns fysiker som menar att filosofi är onödigt. Men det är en farlig inställning, ty den ger den vetenskapliga beskrivningen ställningen av (pseudo)religion.

Att så är fallet kan studeras i en understreckare i Svenska Dagbladet 2004-11-11, skriven av fysikern Mikael Smedbäck vid Uppsala universitet. Trots att den är en populärvetenskaplig framställning, och som sådan mycket förtjänstfull, är den till ton och terminologi en naturvetenskapligt korrekt beskrivning av den holografiska principen (artikeln finns på nätet på adressen: https://www.svd.se/pa-vag-mot-en-slutgiltig-teori-for-fysiken/av/mikael-smedback). Men ser vi en sådan beskrivning som sista ordet sker en livsåskådningsmässig kollaps. Skulle vi bara vara holografiska dockteaterdockor som styrda av gravitations trådar dansar och hoppar efter en vilja som finns tvådimensionellt i universums utkanter?

Livsåskådning

Filosofin föddes ur juridiken kring 600 f Kr i Grekland. De första filosoferna, de s k presokratikerna, var alla jurister. I stället för präster som gärna förklarade världen i mytologiska paradoxer, utvecklade de en ny metod som bestod i empiriska iakttagelser och logiska slutsatser. Med Sokrates (469 - 399 f Kr) försköts filosofins intresse mot etik, livsattityder och livsåskådningar, en förskjutning som kulminerade med Platons spekulationer. Det sociologiskt viktiga med denna filosofi var att den gav upphov till ett första skolsystem utanför templena. Under senantiken utplånades det steg för steg av kristendomen i form av den på denna tid totalitära katolska kyrkan.

Sedan under medeltiden tvingades filosofin ihop med teologin, som fallet var i dominikanermunken Thomas av Aquinos filosofi (1225-1274) och därmed försvagades kontakten med empirin. Det gjorde att filosofin för en nystart måste utgå från något annat än juridik. Tack vare matematikens utveckling under medeltiden i först Indien och sedan Arabvärlden blev just matematiken den utlösande faktorn. Fjortonhundratalets lantmätare kunde tack vare den nya matematiken räkna ut hur kanaler mellan floder skulle byggas för att fungera. Samma matematik började snart användas av artilleriofficerarna för att beräkna kanonkulornas banor. Den tyska matematikern och astronomen Johannes Kepler (1571-1630) såg att den också kunde användas för beräkning av planeternas banor. Descartes, som en tid arbetat som artilleriofficer, kom sedan med den egentliga filosofiska nytändningen. Den kunskap som på detta sätt hade samlats användes därefter av Isaac Newton (1642-1727) för att utveckla vad som numera kallas den klassiska fysiken. Den kom under 1700-talet att spela en avgörande roll för upplysningstiden och dess tänkare, särskilt i det katolska Frankrike.

Men naturvetenskapens utveckling under senare halvan av 1800- och början av 1900-talen medförde att filosofin hamnade på undantag. Särskilt fysikens breddning av vår kunskapshorisont under denna tid kom effektivt att överträffa filosofins sanningssökande. Den sene Ludwig Wittgenstein dödförklarade i praktiken filosofin genom att se den endast som en form av socialt spel. Men tyska och franska filosofer betonade den livsåskådningsmässiga aspekten på filosofin. Livsåskådning är förstås en del av ett socialt spel, men en mycket central del. Vi kan inte leva som civiliserade människor utan någon form av livsåskådning.

Är universum amöbaliknande?

I och med kartläggningen av universums bakgrundsstrålning fick man också fram en bild av hur universum såg ut. Enligt NASA och den kosmologiska forskarvärlden har den formen av en liggande oval, en hel del lik en amerikansk fotboll.

Hur central livsåskådningen är i det sociala spelet framgår av att amerikanska NASA inte drar sig för att manipulera naturvetenskapliga fakta. Ovan återges den bild av universum, som sändes ut av NASA år 2006 efter den andra kartläggningen med WMAP-satelliten av universums bakgrundsstrålning (WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Bakgrundsstrålningen är ett elektromagnetiska eko från Big Bang. Enligt NASA:s bild skulle universum vara ovalt och närmast likna den ovalformade fotboll som används i amerikansk rugby. Eftersom denna fotboll är välkänd för den amerikanska allmänheten kommer formen att upplevas som trygg och kontrollerbar.

Statyn ”Ljus och materia” av skulptören Antero Toikka i Gumtäkt i Helsingfors.

Men en helt annan bild finns på en staty utanför Vetenskapsbiblioteket i Physicum-byggnaden tillhörande Helsingfors universitet i stadsdelen Gumtäkt. Den heter Ljus och materia och har gjorts av skulptören Antero Toikka år 2001. Den visar bilden av universum genom en avbildning i slipat stål, som speglar omgivningen. Avbildningen är den bild, som framträdde vid den första kartläggningen av universum genom IRAS-satelliten (Infrared Astronomical Satellite) år 1983. Det är inte frågan om en bild av hela universum utan närmast den del, som går att iaktta från vår jordiska punkt i världsalltet. Som framgår av fotografiet av statyn skulle denna del utgöras av en oregelbunden central yta varifrån armar utgår. Den skulle likna en amöba eller en vätska som runnit ut. Det är troligt att detta är en mera realistisk bild av universum än den amerikanska fotbollen.

Men livsåskådningsmässigt kan denna bild verka skrämmande och ger inte en känsla av kontroll. Eftersom amerikanarna är religiöst troende och mer eller mindre vidskepliga valde NASA att schematisera och generalisera bilden till en tryggare oval.

Men bilden på statyn i Gumtäkt tycks också stöda den amerikaryska kosmologen Andrei Lindes omstridda hypoteser om att det skulle finnas många universa, kanske inte mindre än 101 000 stycken (se artikel om Linde i FoF nr 4/2007: http://fof.se/tidning/2007/4/han-har-tankt-langst). Bland annat skulle nya universa uppstå genom avknoppning av äldre. Kan inte bilden på statyn i Gumtäkt läsas som att flera avknoppningar från vårt universum håller på att ske? Skulle då inte den s k mörka energin, som utgör cirka 73 procent av universums energi, kunna finnas till för att också driva på denna process?

Men viktigare var att de senare COBE- och WMAP-satelliterna bekräftade de framväxande misstankarna att universum är platt. Det skulle ha en höjd eller tjocklek på några hundratusen ljuår. Bekräftelsen av plattheten var det sensationella, ty på denna punkt visade det sig att Einstein hade haft fel. Enligt honom skulle två parallella linjer så småningom mötas. Men i ett platt universum sker det inte.

Den nya bilden av det platta universum visade också att Big Bang inte var en explosion, som utvidgade sig åt alla håll, utan en inflation, som expanderade horisontellt. Inflationsteorin lades fram av av amerikanen Alan Guth år 1981. Och som hans beräkningar visade skedde den horisontella utvidgningen med en oerhörd snabbhet — hundratals gånger snabbare än ljusets hastighet.

Den snabba men mycket korta inflationsfasen gjorde att vårt blivande solsystem hamnade så långt från Big Bang-punkten att vi i dag kan se bakåt i tiden och därmed kan fastställa att Big Bang inträffade för cirka 13,7 miljarder år sedan.

Observationer av novaexplosioner av en viss vanlig typ, som gjordes av ett lag lett av nobelprisvinnaren Saul Perlmutter år 1988, visade att universum fortfarande expanderar och det i ökande takt. Men det är en expansion som fortsätter att vara horisontell. Det reser frågan vad hindrar en vertikal expansion av universum?

Den holografiska principen

Kanske kan universums platthet förklaras enligt den mekanistiska fysiken som ett vakuumtryck utövat av det omgivande kosmos. En annan möjlighet är att Higgsfältet, som ger energipartiklarna massa, inte kan expandera vertikalt. En tredje möjlighet är att universum avgränsas uppåt och nedåt, dess horisonter, av ett lager med mörk materia. En fjärde möjlighet är att den vertikala expansionen förhindras av ett bran enligt strängteorin.

Ett bran är en förkortning av membran (på engelska membrane, brane). De mångdimensionella, på olika sätt ständigt vibrerande energisträngarna skulle sitta fast i branet. I engelska Wikipedia under uppslagsordet String theory av 20/11 2013 heter det: ”Braner är dynamiska objekt, som kan spridas genom tidsrymden i överenstämmelse med kvantfysikens lagar” (min översättning). De kan enligt samma källa ha både massa och laddning. Kanske förhåller det sig så att ett tvådimensionellt bran breder ut sig över och under vårt universum och förhindrar vertikal expansion.

Det är den sistnämnda möjligheten som vi först vi ska diskutera. Låt oss börja med den amerikanska fysikern Leonard Susskind. Han är professor i teoretisk fysik vid Stanforduniversitet i Kalifornien. Han är vidare en av de ledande strängteoretikerna. Han utgår från diskussionen om de svarta hålen, som resulterade i insikten om att där det svarta hålets avgrund börjar, vid dess horisont, bevaras information om alla enheter som dras ner i hålet. Från just informationsteoretisk synpunkt ville han betrakta baryonvärlden, alltså atomernas värld, som en form av tredimensionellt hologram styrt av gravitationen.

Platonism?

Vad som vägledde honom var dualitetsprincipen. Det vanligaste exemplet på dualitet är det förhållande att en ljuspartikel, en foton, kan beskrivas än som en partikel, än som en vågrörelse. Vad fysikerna inte tänker på är att allt organiskt liv också har en liknande dualitet: Vi är dels vår kropp och hjärna, fenotypen, dels den genetiska uppsättningen, genomet eller genotypen. Båda utvecklas, den förstnämnda kortvarigt, den senare betydligt mera långvarigt.

En annan dualitet kan finnas mellan kanten av en yta och den sistnämndas innehåll. Mikael Smedbäck exemplifierar i den ovan nämnda artikeln med ett schackbräde och dess kant. När pjäserna står uppställda inför ett spel i de motstående kanterna, begränsar schackspelets yta antalet pjäser.

Om universums inre består av holografiska enheter, som styrs av gravitationen, skulle kanterna enligt dualitetsprincipen kunna vara utan gravitation. Kanten kunde då vara en tvådimensionell yta där universums holografiska innehåll skulle vara inskrivet. Sedan har vi steget som skulle säga att ”texten” på den tvådimensionella kanten skulle genom gravitationen styra de tredimensionella hologrammen liksom genotypen styr fenotypen hos människan.

Men är detta inte platonism? Den grekiska filosofen Platon (427-347 f Kr) lade fram tanken på en dualism mellan å ena sidan en idévärld, som står utanför tiden, och å den andra sinnevärlden, som är skuggbild av idévärlden och styrd av tiden. Den tvådimensionella marginalen i universums utkant verkar äga — med Wittgensteins term — familjelikhet med Platons idévärld liksom idén att atomernas värld är hologram har familjelikhet med Platons bild av sinnevärlden som skuggbild. Jag tror inte dessa famljelikheter är tillfälligheter, utan gammal kunskap tenderar att (oftast omedvetet) bubbla upp i modern naturvetenskap (t ex i termerna mörk materia och mörk energi, som ofrivilligt tar efter en mycket gammal föreställning att svart är en symbol för osynlighet).

Materievärlden är skapande

Den tidigare nämnda holländska fysikern Gerard 't Hooft vill ersätta strängteorierna med något radikalt annorlunda. I artikeln som angavs ovan föreslog han att vårt universum ska uppfattas kvantummekaniskt som ”a cellular automaton”. Det kunde översättas ungefär som en celliknande självständig enhet på kvantfysisk nivå. Även om han inte tycks säga att universum som ”automaton” skulle vara självstyrande ligger möjligheten i luften. Han menar dock att ”automatonen” skulle utvecklas deterministiskt. Kanske betyder det att i och med Bing Bang inträffade var allt som följde förutbestämt av händelsen, vilket inte utesluter i en viss grad av återkoppling, alltså självstyrning.

Kanske tänker sig den holländska fysikern att en återkoppling inträffar genom sammanflätade partiklar, ty dessa har visat sig besitta en minnesförmåga, som upptäcktes tidigt av kvantfysikerna. Men det är frågan om ett paradoxalt men mycket enkelt minne: Två partiklar som samverkat minns båda vad som hänt, ett minne som verkar på stora avstånd (en del talar om ett ”telepatiskt minne”). Båda minns egenrotationen, kallad spinn, hos den andra partikeln. Förändras spinnet hos den ena, ändras den även hos den andra.

Återkoppling förutsätter en mera avancerad minnesfunktion. Susskinds förslag om någon form av ett två dimensionellt bran i kanten av universum kunde vara en sådan funktion. Men är det inte mera rimligt att tänka sig att det är materievärlden, inte den energiska kvantvärlden, som är den som besitter återkoppling och minnesförmåga. Om det är kvantvärlden som fungerar som ”automaton”, varför skulle då materievärlden behövas?

Under Big Bangs inflationsskede spreds kvantenergin under mycket, mycket höga temperaturer horisontellt över ett verkligen enormt område. Men när farten började avta sjönk också temperaturen. Någonstans under detta skede av avmattning trädde Higgsfältet i funktion. En del energisträngar fick massa och blev partiklar, som omedelbart började slå ihop sig med likartade partiklar tack vare de krafter som Higgsfältet också lösgjorde. Därmed började bildas olika slag av materie. Medan kvantenergin, såvitt vi vet, har förblivit i stort sett densamma har materievärlden dramatiskt utvecklats: Strukturer tycks ha organiserats fram i form av bl a solsystem och galaxer och i solarnas fusionsugnar har allt tyngre atomer uppstått. I vad som verkar vara nästa steg har stenplaneter kunnat bildas i nya solsystemen och på dem har den kemiska utvecklingen i form av bl a organiskt liv kunnat utvecklas.

Universums minne

Kvantenergin är onekligen spännande i sin gåtfullhet, men materievärlden är på ett anmärkningsvärt sätt skapande. Det sistnämnda har föranlett många som katolska kyrkan, som till slut lärde sig sin läxa under upplysningstiden, att se Big Bang som själva Skapelsen. Men det är troligen fel, ty kvantenergin fanns redan. Mera meningsfullt är att betrakta Big Bang som ett slags fasförskjutning, alltså liknande den förändring till is som vatten genomgår när temperaturen faller under noll. Vid Big Bang tycks Higgsfältet har utlösts, vilket gjorde det möjligt för kvantenergi att förvandlas till materie. Kvantenergin skulle vara själva förutsättningen för universums existens men det är dess fasförskjutning till materie som har möjliggjort världsalltets utveckling. Kvantenergin och materievärlden hör ihop och skulle tillsammans bilda den ”automaton” som Gerard 't Hoft talar om.

Då är det motiverat att misstänka att återkopplingen och minnesfunktionen skulle finnas i den mera utvecklade delen, alltså materievärlden. Den har dock visat sig bestå av två slag av materie: ljus och mörk sådan.

Förekomsten av mörk materie föreslogs i början på 1930-talet av den holländska astronomen Jan Oort (1900-92) och schweiziska kollega Fritz Zwicky (1898–1974) som förklaring till att Vintergatan och de andra galaxerna inte skingrades, vilket de borde göra med sin höga hastighet i förhållande till sin synlig massa. Mörk materie samverkar inte med elektromagnetisk strålning, alltså med ljus, och förblir därför osynlig. Däremot tycks den samverka med gravitationen. Förklaringen till att vi inte förmår iaktta mörk materie på annat sätt än indirekt har att göra med att vår perceptionsorgan utvecklats i en anpassning till just en fyrdimensionell verklighet. Vi måste försöka lära oss tänka på ett nytt sätt. Detta inträffade också åren 2006 och 2008, då astronomerna förenade Chandra- och Hubbleteleskopens olika teknik och lyckades ta bilder som visade hur två galaxer omges av just mörk materia.

Galaxhopen MACS J0025.4-1222. Fotot är en kombination av två bilder, den ena tagen genom en gravitationslins av Hubbleteleskopet och den andra av en röntgenkamera i Chandrateleskopet år 2008. Det rosa fältet på bilden visar den ljusa materiens utbredning i galaxhopen, det blå den omgivande mörka materien. Foto från Wikipedia.

Galaxerna omges av en halo av mörk materia, som ökar galaxernas massa och därmed deras gravitation. Men kan denna halo ha en annan funktion förutom samverkan med gravitationen. En möjlighet är att halon bidrar till att organisera galaxen. Därtill kunde man tänka sig att den registrerar och minns vad som händer i den ljusa galaxdelen.

Men om galaxer omges av mörk materie är det inte sannolikt att en liknande halo omger svarta hål? Detta kunde vara förklaringen till den matematiskt bevisade hypotesen om att ljushorisonten minns allt som faller ner i hålet. Ljus materia har en minneskapacitet, som dock är begränsad till vissa villkor som vi kan se av de fossil som hittas i gamla berg. Den mörka materien tycks inte ha denna begränsning om det är den som minns allting som försvinner ner i hålet. Så det är sannolikt att även svarta hål har en halo av mörk materie med mera utvecklad minneskapacitet än den ljusa materien.

Om galaxer och svarta hål har en halo av mörk materie skulle det också kunna tänkas att universum upptill och nedtill har en hinna av mörk materie. Den skulle då också registrera och komma ihåg mycket av det som händer i universum. Denna ganska omfattande minneskapacitet skulle sedan på något sätt kunna utnyttjas av universum för en återkoppling och självstyrning.

Mörk materie har inte i större omfattning diskuterats av strängteoretiker och kvantfysiker. Men den utgör inte mindre än 84,5 procent av all materie i universum. Den måste ha någon roll vid sidan om samverkan med gravitationen. Men efter Gerard 't Hoft förslag om universum som kvantmekanisk ”automaton”, kan det kanske visa sig att den mörka materien fungerar som det minne som universum måste ha för att vara självstyrande.

Om denna spekulation visar sig vara någorlunda riktig, skulle universum, livsåskådningsmässigt, inte vara en skrämmande omänsklig och ”själlös” maskin, utan någonting mera utvecklat. Den tidigare nämnda Andrei Linde har varit en ivrig talesman för den antropiska principen, d v s att universum är anpassat för liv. I ljuset av ovanstående spekulation skulle det också mera likna liv, som vi känner det på jorden, än någonting livlöst. Men vi behöver inte gå så långt att vi tror att det har ett medvetande. I överensstämmelse med den antropiska principen skulle det dock kanske styra sig självt i riktning mot någonsorts fortplantning i form av avsnöringar av nya universa med möjligheter för nytt liv att uppstå.

Publiceringshistoria: Utlagd 140820. Layouten förnyad 20-07-27 och 21-10-04.

Välkommen att kommentera essän

Var snäll och skriv in i formen ditt namn, e-mailadress och kommentar. Tryck sedan på Submit för att sända din kommentar. För att tömma formen tryck Reset.

Läs även de andra artiklarna i avdelningen Livsåskådning.