Følg det springende univers
Vort univers kan være startet, ikke med et big bang men, med et stort spring – en implosion der udløste en eksplosion drevet af kvantegravitationens eksotiske virkninger
Martin Bojowald*
Indhold:
|
|
|
|
Atomer er nu en så almindelig ide, at det er svært at huske, hvor radikale de plejede at forekomme. Da videnskabsfolkene først gættede på atomer for århundreder siden, var de fortvivlede over aldrig at skulle observere noget, der var så småt og mange satte spørgsmålstegn ved, om begrebet atomer overhovedet kunne kaldes videnskabeligt. Gradvist samlede vidnesbyrdene for atomer sig imidlertid og nåede et vendepunkt med Albert Einsteins analyse i 1905 af Brownsk bevægelse, støvkorns tilfældige rysten i en væske. Selv da tog det fysikerne 20 år at udvikle en teori, der forklarede atomer – nemlig kvantemekanikken – og endnu 30 år for fysikeren Erwin Müller at lave de første mikroskopbilleder af dem. I dag er hele industrier baseret på atomart stofs karakteristiske egenskaber.
Fysikernes forståelse af sammensætningen af rum og tid følger en lignende sti, men adskillige skridt bagud. På samme måde som stoffers opførsel viser, at de består af atomer, antyder rummets og tidens opførsel, at de også har en struktur på fine skalaer – enten en mosaik af ”rumtidsatomer” eller en anden slags filigranarbejde. Stoflige atomer er de mindste udelelige enheder af kemiske forbindelser; på samme måde er de formodede rumatomer de mindste udelelige afstandsenheder. Man mener alment, at de er omkring 10-35 meter i størrelse, alt for små til at kunne ses med nutidens mest kraftige instrumenter, der sonderer afstande så korte som 10-18 meter. Derfor stiller mange forskere spørgsmålstegn ved, om begrebet atomar rumtid overhovedet kan kaldes videnskabeligt. På trods af det finder andre forskere mulige måder, hvorpå man kan detektere sådanne atomer indirekte.
De mest lovende involverer observationer af kosmos. Hvis vi forestiller os at spole universets udvidelse tilbage i tid, synes alle de galakser, vi ser, at samles i et uendeligt lille punkt: big bang singulariteten. I dette punkt forusiger vor nuværende gravitationsteori – Einsteins almene relativitetsteori – at universet havde en uendelig tæthed og temperatur. Dette øjeblik sælges sommetider som universets begyndelse, stoffets, rummets og tidens fødsel. En sådan tolkning går imidlertid for vidt, fordi uendelige værdier viser, at selve den almene relativitet bryder sammen. For at forklare hvad der virkelig skete i big bang, må forskerne overvinde relativitet. Vi skal udvikle en teori om kvantegravitation, som vil indfange rumtidens finstruktur, som relativiteten er blind for.
Detaljerne i den struktur kom i spil under de tætte forhold i det tidlige univers og spor af dem kan måske overleve i nutidens indretning af stof og stråling. Kort sagt, hvis rumtidsatomerne eksisterer, vil det ikke tage århundreder at finde vidnesbyrdene, som det gjorde med stoffets atomer. Med lidt held vil vi måske vide det i løbet af det kommende årti.
Fysikere har udtænkt adskillige kandidatteorier om kvantegravitation, som hver anvender almen relativitet på en ny måde. Mit arbejde fokuserer på teorien om loop kvantegravitation (”loop gravitation”, kort sagt), som blev udviklet i 1990'erne ved brug af en totrins procedure. Først omformulerede teoretikerne almen relativitet matematisk, så den mindede om den klassiske teori om elektromagnetisme; de ”loops” (sløjfer, o.a.), som teorien har fået navn efter, svarer til elektriske og magnetiske feltlinier. Dernæst anvente de kvanteprincipper på sløjferne ved brug af nye procedurer, hvoraf nogle ligner knuders matematik. Den resulterende kvantegravitationsteori forudsiger eksistensen af rumtidsatomer [se ”Atoms of Space and Time,” af Lee Smolin; Scientific American, Januar 2004], [Atomer af rum og tid].
|
|
|
Big bang ideen kommer fra en enkel observeret kendsgerning: galakser i universet bevæger sig væk fra hinanden. Hvis man spiller denne tendens baglæns i tid, må galakserne (eller deres forgængere) alle have været knaset sammen for 13,7 milliarder år siden. Faktisk var de, ifølge Einsteins almene relativitetsteori, knust til et enkelt punkt med uendelig tæthed – big bang singulariteten. Men en uendelig tæthed er urealistisk: at relativiteten forudsiger det, er et tegn på, at teorien er ufuldstændig. |
Andre indfaldsvinkler, som strengteori og såkaldte kausale dynamiske trianguleringer, forudsiger ikke rumtidsatomer af sig selv, men antyder andre måder, hvorpå tilstrækkelig korte afstande kunne være udelelige [se ”The Great Cosmic Roller-Coaster Ride,” af Cliff Burgess og Fernando Quevedo; Scientific American, November 2007, og ”The Self-Organizing Quantum Universe,” af Jan Ambjørn, Jerzy Jurkiewich og Renate Loll; Scientific Amertican, Juli 2008], [Den store kosmiske rutchebanetur], [Det selvorganiserende kvanteunivers]. Forskellene mellem disse teorier har givet anledning til kontroverser, men efter min opfattelse er disse teorier ikke så meget modsætningsfyldte som komplementære. Strengteori er, for eksempel, meget nyttig til et forenet syn på partikelvekselvirkninger, inkluderende gravitation når den er svag. Til formålet, at udrede hvad der sker ved singulariteten, når gravitationen er stærk, er loop gravitationens atomare konstruktioner mere nyttige.
Teoriens styrke er dens evne til at indfange rumtidens flydende tilstand. Einsteins store indsigt var, at rumtiden ikke blot er en scene, på hvilken universets drama udspiller sig. Den er i sig selv en spiller. Den bestemmer ikke blot legemers bevægelser inde i universet, men den udvikler sig. Et kompliceret samspil mellem stof og rumtid følger. Rummet kan vokse og krympe.
Loop gravitation udstrækker denne indsigt til kvanteriget. Den tager vores velkendte forståelse af stoffets partikler og anvender den på rummets og tidens atomer; giver et forenet syn på vores mest grundlæggende begreber. For eksempel beskriver kvanteteorien for elektromagnetisme et vakuum blottet for partikler som fotoner og hver tilvækst af energi til dette vakuum frembringer en ny partikel. I kvanteteorien for gravitation er et vakuum fraværet af rumtid – en tomhed så grundig, at vi dårligt kan forestille os det. Loop gravitation beskriver, hvordan hver tilvækst af energi til dette vakuum frembringer et nyt atom af rumtid.
Rumtidsatomerne danner et tæt, evigt foranderligt net. Over store afstande giver det anledning til den klassiske almene relativitets udviklende univers. Under almindelige omstændigheder bemærker vi aldrig eksistensen af disse rumtidsatomer; mellemrummene i nettet er så små, at det ligner et sammenhængende hele. Men når rumtiden proppes med energi, som den var i big bang, bliver rumtidens finstruktur en faktor og loop gravitationens forudsigelser afviger fra den almene relativitets.
Tiltrukket af frastødning
|
|
|
Relativitetsteorien løber ind i problemer, fordi den antager, at rummet er sammenhængende. En mere forfinet teori, som loop kvantegravitation, siger, at rummet er et net af bittesmå ”atomer” (kugler). Disse atomers diameter (linier) er den såkaldte Planck længde, afstanden over hvilken gravitations- og kvantevirkninger er sammenlignelige i styrke.
|
Brug af teorien er en yderst kompleks opgave, så mine kolleger og jeg bruger forenklede versioner, der fanger de virkelig vigtige egenskaber ved universet, som dets størrelse, og ignorerer detaljer af mindre interesse. Vi har også måttet tilpasse mange af fysikkens og kosmologiens matematiske standardværktøjer. For eksempel beskriver teoretiske fysikere almindeligvis verden ved brug af differentialligninger, som angiver ændringshastigheden af fysiske variabler, som tætheden, i hvert punkt i den sammenhængende rumtid. Men når rumtiden er kornet, bruger vi i stedet såkaldte differensligninger, som opdeler sammenhængen i adskilte intervaller. Disse ligninger beskriver, hvordan et univers klatrer op ad stigen af størrelser, det er tilladt at tage, når det vokser. Da jeg begyndte at analysere loop gravitationens kosmologiske betydninger i 1999, forventede de fleste forskere, at disse differensligninger simpelthen ville gengive gamle resultater i forklædning. Men der dukkede hurtigt uventede egenskaber op.
Gravitation er typisk en tiltrækkende kraft. En bold stof har tendens til at kollapse under sin egen vægt og hvis dens masse er tilstrækkelig stor, overvinder gravitationen alle andre kræfter og presser bolden sammen til en singularitet, som den i et sort huls centrum. Men loop gravitation antyder, at rumtidens atomstruktur ændrer gravitationens natur ved meget høje energitætheder og gør den frastødende. Tænk på rumtiden som en svamp med masse og energi som vand. Den porøse svamp kan opbevare vand, men kun indtil en vis mængde. Når den er helt gennemblødt, kan den ikke absorbere mere og frastøder i stedet vand. På samme måde er et atomart rum porøst og har en endelig mængde opbevaringsplads for energi. Når energitæthederne bliver for store, kommer frastødende kræfter i spil. Den almene relativitets sammenhængende rum kan i modsætning hertil opbevare ubegrænsede mængder energi.
På grund af den kvantegravitationelle ændring i kræfternes balance, kan ingen singularitet – ingen tilstand med uendelig tæthed – nogensinde opstå. Ifølge denne model havde stoffet i det tidlige univers en meget høj, men endelig, tæthed, hvad der svarer til en trillion sole i hvert område på størrelse med en proton. Ved sådanne ekstremer virkede gravitationen som en frastødende kraft, der forårsagede, at rummet udvidede sig; da tætheden aftog skiftede gravitationen til den tiltrækkende kraft, vi alle kender. Inerti har holdt udvidelsen i gang til vore dage.
Den frastødende gravitation fik faktisk rummet til at udvide sig med accelererende hastighed. Kosmologiske observationer synes at kræve en sådan tidlig periode med acceleration, kendt som kosmisk inflation. Efterhånden som universet udvider sig, aftager den kraft, der driver inflationen, langsomt. Når accelerationen slutter, overføres den overskydende energi til almindeligt stof, som begynder at fylde universet i en proces, der kaldes efterbrænding. I de nuværende modeller er inflationen noget ad hoc – tilføjet for at passe til observationerne – , men i loop kvantekosmologi er den en naturlig konsekvens af rumtidens atomare natur. Accelerationen sker automatisk, når universet er lille og dets porøse natur stadig er betydningsfuld.
|
|
|
Øverst: Når man pakker energi i et rumfang af rummet, skrumper bølgelængden for partikler, der bærer denne energi og nærmer sig efterhånden rumtids ”atomernes” størrelse. Nederst: Rummet løber bogstavelig talt tørt for plads. Hvis man prøver at pakke endnu mere energi ind, vil rummet skubbe den tilbage ud. Det vil se ud som om gravitationen, som området frembringer, er vendt fra at være tiltrækkende til at være frastødende. |
Uden en singularitet til at markere tidens begyndelse, kunne universets historie måske strække sig længere tilbage, end kosmologerne engang troede muligt. Andre fysikere har nået en lignende konklusion [se ”The Myth of the beginning of Time,” af Gabriele Veneziano; Scientific American, Maj 2004], [Myten om tidens begyndelse], men kun sjældent løser deres modeller singulariteten helt; de fleste modeller, inklusive strengteoriens, kræver antagelser om, hvad der kan være sket ved denne vanskelige plet. I modsætning hertil er loop gravitation i stand til at spore, hvad der fandt sted ved singulariteten. Loopbaserede scenarier er, skønt det skal indrømmes, at de er forenklede, grundet på almene principper og undgår at indføre nye antagelser til lejligheden.
Ved brug af differensligningerne kan vi prøve at rekonstruere den dybe fortid. Et muligt scenarie er, at den første tilstand med høj tæthed opstod, da et tidligere eksisterende univers kollapsede under gravitationens tiltrækkende kraft. Tætheden voksede sig så høj, at gravitationen skiftede til at blive frastødende og universet begyndte at udvide sig igen. Kosmologer henviser til denne proces som et spring.
Den første springmodel, der blev grundigt undersøgt, var et idealiseret tilfælde, i hvilket universet var yderst symmetrisk og kun indeholdt én type stof. Partikler havde ingen masse og vekselvirkede ikke med hinanden. Selvom denne model var forenklet krævede forståelse af den i begyndelsen, at der blev kørt et sæt numeriske simuleringer, som først blev fuldført i 2006 af Abhay Ashketar, Tomasz Pawlowski og Parampreet Singh, alle på Pennsylvania State University.
|
|
|
Ved at sætte en grænse for hvor megen energi man kan pakke ind i rummet, erstatter loop kvantegravitation big bang singulariteten med et stort spring – en proces der ligner en begyndelse men i virkeligheden afspejler en overgang fra en forudeksisterende tilstand. Springet sætter universets udvidelse igang. I dette scenarie er universet evigt. Det imploderede, nåede den maksimale tilladte tæthed (ved springet), og blæste i stykker igen. |
|
|
|
Alternativt kan universet før det store spring have været i en kvantetilstand, man næsten ikke kan forestille sig, endnu ikke rumlig, da noget udløste det store spring og dannelsen af rumtidens atomer. Hvilket af disse to alternativer, der foregik, afhænger af detaljer, som fysikerne stadig udarbejder. |
De overvejede udbredelsen af bølger, der repræsenterede universet både før og efter big bang. Modellen viste klart, at en bølge ikke blindt ville følge den klassiske bane ind i en singularitets dyb, men ville stoppe og vende tilbage, når kvantegravitationens frastødning satte ind. Et spændende resultat af disse simuleringer var, at den notoriske ubestemthed i kvantemekanikken syntes at forblive temmelig dæmpet under springet. En bølge forblev lokaliseret gennem springet i stedet for at blive spredt ud, som kvantebølger sædvanligvis gør. Taget for pålydende antydede dette resultat, at universet før springet var bemærkelsesværdigt lig vores eget: styret af almen relativitet og måske fyldt med stjerner og galakser. Hvis det er tilfældet, burde vi kunne ekstrapolere fra vort univers tilbage i tid, gennem springet, og udlede, hvad der kom før, meget som vi kan rekonstruere to billiardkuglers baner før en kollision baseret på deres baner efter kollisionen. Vi behøver ikke at kende hver og én detalje på atomar skala om kollisionen.
Uheldigvis knuste min efterfølgende analyse dette håb. Modellen, såvel som kvantebølgerne der blev brugt i de numeriske simuleringer, viste sig at være et specielt tilfælde. Alment fandt jeg, at bølgerne spredes ud og at kvantevirkningerne var stærke nok til, at de skulle tages i betragtning. Så springet var ikke et kort skub af en frastødende kraft, som billiardkuglers kollision. I stedet kan modellen have repræsenteret vort univers' opdukken fra en næsten ufattelig kvantetilstand – en verden i yderst fluktuerende oprør. Selv hvis det forud eksisterende univers engang var meget lig vort eget, passerede det gennem en udstrakt periode, hvor stoffets og energiens tæthed fluktuerede stærkt og tilfældigt og gjorde alting uregelmæssigt.
Fluktuationerne før og efter big bang var ikke stærkt forbundne til hinanden. Universet før big bang kunne have fluktueret meget anderledes, end det gjorde bagefter og disse detaljer overlevede ikke springet. Universet lider, kort sagt, under et stærkt tilfælde af glemsomhed. Det kan have eksisteret før big bang, men kvantevirkninger under springet udslettede næsten alle spor af denne forhistorie.
Dette billede af big bang er dybere end det klassiske syn på singulariteten. Hvor den almene relativitet simpelthen fejler ved singulariteten, kan loop kvantegravitation behandle de ekstreme forhold dér. Big bang er ikke længere en fysisk begyndelse eller en matematisk singularitet, men det sætter en praktisk begrænsning for vor viden. Det, der overlever, kan ikke forsyne os med et komplet syn på, hvad der kom før.
Selv om det kan være frustrerende, er det måske en begrebsmæssig velsignelse. I fysiske systemer, som i dagligdagen, har uordenen en tendens til at stige. Dette princip, der er kendt som termodynamikkens anden lov, er et argument mod et evigt univers. Hvis orden er dalet i et uendeligt tidsrum, burde universet nu være så uorganiseret, at strukturerne, vi ser i galakser såvel som på Jorden, ville være næsten helt umulige. Den rette mængde kosmisk glemsomhed kan være redningen ved at præsentere det unge, voksende univers med tavlen visket ren uden hensyn til alt det rod, der kan være opbygget før.
Ifølge traditionel termodynamik findes der ikke noget som en helt ren tavle; ethvert system bevarer altid et minde om sin fortid i konfigurationen af dets atomer [se ”The Cosmic Origins of Time's Arrow,” af Sean M. Carroll; Scientific American, Juni 2008][Den kosmiske oprindelse til tidens pil]. Men ved at tillade antallet af rumtidstomer at ændre sig, tillader loop kvantegravitation universet mere frihed til at rydde op, end klassisk fysik antyder.
Alt det betyder ikke, at kosmologer ikke håber på at sondere den kvantegravitationelle periode. Gravitationsbølger og neutrinoer er særligt lovende budbringere, fordi de næsten ikke vekselvirker med stof og derfor trængte gennem den tidlige plasma med minimale tab. Disse budbringere kunne meget vel bringe os nyheder fra en tid nær ved, eller endda før, big bang.
En måde, at lede efter gravitationsbølger på, er, at studere deres aftryk på den kosmiske mikrobølgebaggrund [se ”Echoes from the Big Bang,” af Robert R. Caldwell og Marc Kamionkowski; Scientific American, Januar 2001], [Ekkoer fra Big Bang]. Hvis kvantegravitationel frastødende gravitation drev kosmisk inflation, kunne disse observationer måske finde et tegn på det. Teoretikere skal også afgøre, om denne nye kilde til inflation kunne reproducere andre kosmologiske målinger, især af den tidlige tæthedsfordeling af stof, der ses i den kosmiske mikrobølgebaggrund.
Samtidig kan astronomerne lede efter rumtidsanalogen til tilfældig Brownsk bevægelse. For eksempel kunne kvantefluktuationer af rumtiden påvirke udbredelsen af lys over lange afstande. Ifølge loop gravitation kan en lysbølge ikke være sammenhængende; den skal passe med rummets gitter. Jo mindre bølgelængde, jo mere forvrænger gitteret den. I en vis forstand puffer rumtidsatomerne til bølgen. Som konsekvens bevæger lysbølger med forskellig frekvens sig med forskellige hastigheder. Skønt disse forskelle er små, kan de addere på en lang tur. Fjerne kilder, som gammastråle udbrud, giver det bedste håb om at se denne virkning [se ”Window on the Extreme Universe,” af William B. Atwood, Peter F. Michelson og Steven Ritz; Scientific American, December 2007], [Vindue mod det ekstreme univers].
I tilfældet med de stoflige atomer gik der mere end 25 århundreder mellem de første spekulative forslag om atomer fra gamle filosoffer og Einsteins analyse af Brownsk bevægelse, der fastsatte atomer som emne for eksperimentel videnskab. Forsinkelsen burde ikke være så lang for rumtidsatomer.
Spejl, Spejl ...
|
Til trods for de virkninger, der rodede op i universet under det store spring, kan fysikerne gøre nogle gisninger, baseret på kendsgerninger, om, hvad der kom før. Nogle er virkelig mærkelige. For eksempel medfører loop kvantegravitationens differensligninger, at området af rumtid, der gik forud for springet, var et spejlbillede af rummet i vort univers. Dvs., det, der var højrehåndet efter big bang, var venstrehåndet før og omvendt. For at synliggøre denne virkning kan man forestille sig en ballon, der taber luft, som i stedet for at falde til ro som et stykke slattent gummi, bevarer sin energi og impuls. Når gummiet en gang er sat i bevægelse, har det tendens til at forblive i bevægelse. Når ballonen så kollapser ned til minimum størrelse, vender den vrangen ud og begynder at vokse igen. Det, der tidligere var ballonens yderside, bliver til den indre side og omvendt. Når rumtidsatomerne på samme måde krydser hinanden ved det store spring., vender universet vrangen ud.
|
|
|
|
Denne omvending er interessant, fordi elementarpartikler ikke er perfekt spejlsymmetriske; visse processer ændrer sig, når retningen gør. Denne asymmetri skal tages i betragtning for at forstå, hvad der sker med stoffet ved springet.
|
Quantum
Gravity.
Carlo Rovelli. Cambridge University Press, 2004.
What Happened Before the Big Bang? Martin Bojowald i Nature Physics, Vol. 3, No.
8, siderne 523-525; August 2007.
Loop Quantum Cosmology. Martin Bojowald i Living Reviews in Relativity, Vol. 11, No. 4; 2. Juli 2008. Findes på http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2008-4
*Martin Bojowald
er den førende forsker i loop kvantegravitations betydning for kosmologi. Han
er fakultetsmedlem på Institute for Gravitation and the Cosmos på Pennsylvania
State University. Bojowald fik tildelt First
Award of the Gravity Research Foundation Essay Competition i 2003 og
Xanthoupoulos Prize of the International Society for General Relativity and
Gravitation i 2007. Udenfor
fysikken nyder han at læse klassisk litteratur og langdistanceløb i Appalachian
Mountains i det centrale Pennsylvania.
Tegninger af Pat Rawlings og Samuel Velasco.
Fra Follow the
Bouncing Universe, Scientific American,
oktober 2008, siderne 44-51.
11. februar, 2009.
Den kosmiske oprindelse til tidens pil
Den store kosmiske rutchebanetur
Det selvorganiserende kvanteunivers
Vindue mod det ekstreme univers