Skæbnen for liv i Universet

For milliarder af år siden var universet for varmt til at livet kunne eksistere. Utallige æoner fra nu, vil det blive så koldt og tomt at livet, ligegyldigt hvor opfindsomt det er, vil gå til grunde.

Lawrence M. Krauss og Glenn D. Starkman*

Indhold:

Indledning
Den umådelige evigheds ørkener
Overgivelse til det tomme rum
At sove, at dø
Den evige gentagelse af det samme
Box: Det værste af alle mulige universer
Yderligere læsning

Indledning

Evigt liv er kernetroen i mange af verdens religioner. Sædvanligvis prises det som et åndeligt Valhalla, en eksistens uden smerte, bekymring eller ondskab, en verden, der er fjernet fra vor fysiske virkelighed. Men der er en anden slags evigt liv, som vi håber på, et i det tidsmæssige rige. I afslutningen af Arternes Oprindelse skrev Charles Darwin: "Da alle livets levende former er efterkommere i lige linie fra dem, der levede længe før den siluriske epoke, så kan vi være overbevist om, at den almindelige generationsfølge aldrig har været brudt ... Derfor kan vi med temmelig stor tillid imødese en fremtid af en lige så ufattelig længde." Solen vil til sidst opbruge sit brint-brændstof og livet, som vi kender det på vor hjemplanet, vil til sidst slutte, men den menneskelige race er spændstig. Vort afkom vil søge ny hjem, sprede sig til hvert hjørne af universet, på samme måde som organismer har koloniseret enhver mulig niche på Jorden. Død og ondskab vil kræve deres ofre, smerte og bekymring forsvinder måske aldrig, men vi forventer at et eller andet sted vil nogle af vore børn fortsætte.
    Eller måske ikke. Det er bemærkelsesværdigt, at selv om forskerne hverken forstår livets fysiske grundlag eller udfoldelsen af universet, så kan de gøre dannede gisninger om levende tings skæbne. Kosmologiske observationer antyder nu, at universet vil fortsætte med at udvide sig for evigt - i stedet for, som forskerne engang troede, at udvide sig til en maksimal størrelse og så skrumpe ind. Derfor er vi ikke dømt til at omkomme i et brændende "Big Crunch", i hvilket ethvert spor af vor nuværende eller fremtidige civilisation ville blive slettet. Ved første øjekast er evig udvidelse en grund til optimisme. Hvad kunne hindre en tilstrækkelig intelligent civilisation i at udnytte de endeløse ressourcer og overleve på ubestemt tid?
    Men livet trives på energi og information og meget almene videnskabelige argumenter tyder på, at kun en endelig mængde energi og en endelig mængde information kan indsamles i løbet af selv et uendeligt tidsrum. For at livet kunne vare ved, ville det skulle klare sig med svindende ressourcer og begrænset viden. Vi har konkluderet at ingen meningsfuld form for bevidsthed kunne eksistere evigt under disse forhold.

Den umådelige evigheds ørkener

I løbet af det sidste århundrede har videnskabelig eskatologi svinget mellem optimisme og pessimisme. Ikke længe efter Darwins tillidsfulde forudsigelse begyndte Victoriatidens forskere at bekymre sig om "varme døden", i hvilken hele kosmos ville komme til en fælles temperatur og derefter være ude af stand til at ændre sig. Opdagelsen af universets udvidelse i 1920'erne dæmpede denne bekymring, fordi udvidelsen forhindrer universet i at nå sådan en ligevægtstilstand. Men få kosmologer gennemtænkte de andre betydninger for livet i et evigt ekspanderende univers, indtil et klassisk dokument i 1979 af fysikeren Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study i Princeton, N.J., som selv var motiveret af tidligere arbejde af Jamal Islam, som nu er på University of Chittagong i Bangladesh. Siden Dysons dokument, har fysikere og astronomer periodisk undersøgt emnet igen [se "The Future of the Universe," af Duane A. Dicus, John R. Letaw, Doris C. Teplitz og Vigdor L. Teplitz; Scientific American, Marts 1983]. Ansporet af nye observationer, der antyder en drastisk anderledes langtids fremtid for universet, end man tidligere forestillede sig, besluttede vi at kigge efter endnu en gang.
    Gennem de sidste 12 milliarder år eller der omkring, har universet gennemgået mange trin. I de tidligste tider, som forskerne nu har empirisk information om, var det utroligt varmt og tæt. Gradvist ekspanderede det og afkøledes. I hundrede tusinder af år regerede strålingen; den berømte kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling menes at være et levn fra denne æra. Så begyndte stoffet at dominere og fremadskridende større astronomiske strukturer fortættedes. Hvis nylige kosmologiske observationer er korrekte, begynder universets udvidelse nu at accelerere - et tegn på, at en mærkelig ny form for energi, som måske dukker op fra selve rummet, tager over.
    Liv, som vi kender det, afhænger af stjerner. Men stjerner dør uvægerligt og deres fødselsrate er faldet drastisk siden et udbrud i begyndelsen for omkring 10 milliarder år siden. Omkring 100 billioner år fra nu vil den sidste konventionelt dannede stjerne blinke ud og en ny æra vil begynde. Processer, som i øjeblikket er for langsomme til at blive bemærket, vil blive vigtige: spredningen af planetsystemer af stjerners nærkontakt, det mulige henfald af almindeligt og eksotisk stof, den langsomme fordampning af sorte huller.
    Hvis vi antager, at det intelligente liv kan tilpasse sig de ændrede omstændigheder, hvilke fundamentale grænser står det så overfor? I et evigt univers, potentielt af uendeligt rumfang, kunne man håbe på, at en tilstrækkeligt avanceret civilisation kunne indsamle en uendelig mængde stof, energi og information. Overraskende nok er dette ikke sandt. Selv efter en evighed af hårdt og godt planlagt arbejde, kunne levende væsner kun akkumulere et endeligt antal partikler, en endelig mængde energi og et endeligt antal informationsbits. Det, der gør denne mangel endnu mere frustrerende, er, at antallet af til rådighed værende partikler, ergs og bits kan vokse uden grænse. Problemet er ikke nødvendigvis mangel på ressourcer men snarere vanskeligheder med at indsamle dem.
    Synderen er selve det, som tillader os at overveje en evig ansættelse: universets udvidelse. Når kosmos vokser i størrelse, falder de almindelige energikilders middeltæthed. En fordobling af universets radius sænker atomers tæthed otte gange. For lysbølger er faldet endnu mere brat. Deres energitæthed falder med en faktor på 16, fordi udvidelsen strækker dem og derved tapper deres energi.
    Som resultat af denne fortynding bliver det mere og mere tidsrøvende at samle ind. Intelligente skabninger har to distinkte strategier: lad materialet komme til dem eller prøv at jagte det. For den første er den bedste indfaldsvinkel i det lange løb at lade gravitationen gøre arbejdet. Af alle naturens kræfter kan kun gravitation og elektromagnetisme trække ting ind fra vilkårligt langt væk. Men den sidste bliver afblændet: modsat ladede partikler udbalancerer hinanden, så den typiske genstand er neutral og derfor immun overfor langtrækkende elektriske og magnetiske kræfter. Gravitationen kan på den anden side ikke afblændes, fordi partikler af stof og stråling kun tiltrækker tyngdemæssigt; de frastøder ikke.

Overgivelse til det tomme rum

Selv gravitationen må imidlertid kæmpe med universets udvidelse, som trækker genstande væk fra hinanden og derved svækker deres gensidige tiltrækning. I alle undtaget ét scenario bliver gravitationen efterhånden ude af stand til at trække større mængder materiale sammen. Faktisk kan vort univers allerede have nået dette punkt; hobe af galakser kan være de største legemer gravitationen nogensinde vil kunne binde sammen [se The Evolution of Galaxy Clusters," af J. Patric Henry, Ulrich G. Briel og Hans Böhringer; Scientific American, December 1998]. Den enlige undtagelse hænder, hvis universet er afbalanceret mellem udvidelse og sammentrækning, i hvilket tilfælde gravitationen fortsætter uendeligt med at samle stadig større mængder stof. Men det scenario menes nu at være i modstrid med observationer og det stiller alligevel sin egen vanskelighed: efter 10³³ år eller der omkring, vil det tilgængelige stof blive så koncentreret, at det meste af det vil kollapse til sorte huller og derved feje enhver livsform op. At være inde i et sort hul er ikke nogen lykkelig tilstand. På Jorden kan alle veje føre til Rom, men inde i et sort hul fører alle veje i løbet af et endeligt tidsrum til hullets centrum, hvor død og radbrækning er sikker.
    Sørgeligt nok klarer strategien med aktivt at søge ressourcer sig ikke bedre end den passive indfaldsvinkel. Universets udvidelse tapper kinetisk energi, så dem, der søger naturrigdomme, ville være nødt til at formøble deres bytte for at opretholde deres hastighed. Selv i det mest optimistiske scenario - i hvilket energien bevæger sig mod samleren med lysets hastighed og opsamles uden tab - kunne en civilisation kun opsamle ubegrænset energi i eller nær et sort hul. Den sidste mulighed blev udforsket af Steven Frautschi fra California Institute of Technology i 1982. Han konkluderede, at energien, der var til rådighed fra hullerne ville svinde hurtigere ind end omkostningerne ved opsamlingen. Vi undersøgte fornylig denne mulighed og fandt, at problemet er endnu værre end Frautschi troede. Størrelsen af det sorte hul, der kræves for at kunne opsamle energi i al evighed, overstiger det synlige univers' udstrækning.
    Den kosmiske fortyndelse af energien er virkelig sørgelig, hvis universet udvider sig med accelererende hastighed. Alle fjerne objekter, som i øjeblikket er synlige, vil med tiden bevæge sig væk fra os hurtigere end lysets hastighed og på den måde forsvinde af syne. Derfor er de totale ressourcer højst begrænset til, hvad vi kan se i dag [se box].
    Ikke alle energiformer er lige udsat for fortyndingen. Universet kunne f.eks. være fyldt af et netværk af kosmiske strenge - uendeligt lange, tynde koncentrationer af energi, der kunne have udviklet sig, da det tidlige univers afkøledes ujævnt. Energien pr. enhedslængde af kosmisk streng forbliver uændret trods kosmisk udvidelse [se "Cosmic Strings," af Alexander Vilenkin; Scientific American, December 1987]. [Kosmiske strenge]. Intelligente væsner kunne prøve at skære en over, samle sig omkring den løse ende og begynde at fortære den. Hvis strengens netværk er uendeligt, kunne de håbe på at tilfredsstille deres appetit for evigt. Problemet med denne strategi er, at alt hvad livsformer kan gøre, kan naturlige processer også gøre. Hvis en civilisation kan udregne en måde, hvorpå de kan skære i kosmiske strenge, så vil strengnetværket falde fra hinanden af sig selv. For eksempel kan sorte huller spontant dukke op på strengene og fortære dem. Derfor kunne væsnerne kun sluge en endelig mængde streng, før de løb ind i en anden løs ende. Hele strengnetværket ville med tiden forsvinde og efterlade civilisationen i nød.
    Hvad med minedrift på kvantevacuet? Den kosmiske acceleration er måske trods alt drevet af den såkaldte kosmologiske konstant, en form for energi som ikke bliver fortyndet, når universet udvider sig [se "Cosmological Antigravity," af Lawrence M. Krauss; Scientific American, Januar 1999] [Kosmologisk antigravitation]. Hvis det er sådan, er universet fyldt med en bizar form for stråling, kaldet Gibbons-Hawking eller de Sitter stråling. Desværre er det umuligt at uddrage energi fra denne stråling til nyttigt arbejde. Hvis vacuet opgav energi, ville det falde ned i en lavere energitilstand, dog er vacuet allerede den laveste energitilstand, der findes.
    Lige meget hvor kloge vi prøver at være og hvor samarbejdsvilligt universet er, vil vi en skønne dag skulle stå overfor det endelige ved ressourcerne, der står til vor rådighed. Er der, selv da, måder at klare sig på for evigt?
    Den indlysende strategi er at lære at klare sig med mindre, en plan, som først blev diskuteret kvantitativt af Dyson. For at reducere energiforbruget og holde det lavt trods anstrengelse, ville vi med tiden være nødt til at reducere vor legemstemperatur. Man kunne spekulere på genetisk forarbejdede mennesker, som fungerer ved noget lavere temperatur end 310 kelvin. Dog kan den menneskelige legemstemperatur ikke reduceres vilkårligt; Blods frysepunkt er en fast nedre grænse. Til sidst vil vi være nødt til helt at opgive vores krop.
    Selv om den er futuristisk, fremviser ideen om at aflægge vore kroppe ingen fundamentale vanskeligheder. Den antager kun, at bevidsthed ikke er bundet til et bestemt sæt organiske molekyler, men snarere kan være legemeliggjort i en mangfoldighed af forskellige former, fra cyborgs til følsomme interstellare skyer [se "Will Robots Inherit the Earth?" af Marvin Minsky; Scientific American, Oktober 1994]. De fleste moderne filosoffer og kognitive forskere betragter bevidst tænkning som en proces, en computer kunne udføre. Detaljerne behøver ikke bekymre os her (hvilket er belejligt, da vi ikke er kompetente til at diskutere dem). Vi har stadig mange milliarder år til at konstruere nye fysiske inkarnationer til vore bevidste selv. Disse nye "kroppe" vil være nødt til at virke ved køligere temperaturer og ved lavere stofskifte - dvs. lavere energiforbrug.
    Dyson viste, at hvis organismerne kunne sænke deres stofskifte efterhånden, som universet afkøledes, kunne de arrangere det sådan, at de forbrugte en endelig mængde energi i løbet af hele evigheden. Skønt de lavere temperaturer også ville gøre bevidstheden langsommere - antallet af tanker pr. sekund - ville raten forblive høj nok til, at det totale antal tanker, i princippet, var ubegrænset. Kort sagt kunne intelligente væsner overleve for evigt, ikke blot i absolut tid men også i subjektiv tid. Så længe organismerne var garanteret at have et uendeligt antal tanker, ville de ikke have noget imod et trægt livsforløb. Når milliarder af år venter dig, hvad haster så?

    Ved første øjekast kunne dette ligne et tilfælde af noget for ingenting. Men uendelighedens matematik kan trodse intuitionen. For at en organisme skal kunne opretholde den samme grad af kompleksitet, argumenterede Dyson, skal dens informationsbehandlings hastighed være direkte proportional med kropstemperaturen, hvorimod energiforbrugets hastighed er proportionelt med kvadratet på temperaturen (den ekstra temperaturfaktor kommer fra grundlæggende termodynamik). Derfor aftager kraftbehovene hurtigere end den kognitive beredvillighed [se illustrationen til højre]. Ved 310 kelvin forbruger det menneskelige legeme omkring 100 watt. Ved 155 kelvin kunne en lige så kompleks organisme tænke ved den halve hastighed men forbruge en fjerdedel af kraften. Handelen er acceptabel, fordi fysiske processer i miljøet går langsommere med samme rate.

At sove, at dø

Uheldigvis er der en fælde. Det meste af kraften spredes som varme, der skal undslippe - sædvanligvis ved stråling - hvis genstanden ikke skal blive varmere. Menneskelig hud, f.eks., gløder i infrarødt lys. Ved meget lave temperaturer ville den mest effektive radiator være en fortyndet gas af elektroner. Men selv denne optimale radiators effektivitet falder med kvadratet på temperaturen, hurtigere end faldet i stofskiftet. Der ville komme et punkt, hvor organismerne ikke kunne sænke deres temperatur yderligere. I stedet ville de blive tvunget til at reducere deres kompleksitet - at gøre sig dummere. Inden længe kunne de ikke længere betragtes som intelligente.
    For de frygtsomme kunne dette forekomme som slutningen. Men for at kompensere for radiatorernes ineffektivitet anviste Dyson kækt en strategi med vinterdvale. Organismerne ville kun tilbringe en lille brøkdel af deres tid vågne. Medens de sov ville deres stofskifte falde, men - altafgørende - de ville fortsætte med at sprede varme. På denne måde kunne de opnå en endnu lavere middel kropstemperatur. Ved at tilbringe en stigende brøkdel af deres tid i søvne kunne de faktisk forbruge en endelig mængde energi og alligevel eksistere for evigt og have et uendeligt antal tanker. Dyson konkluderede at evigt liv virkelig er muligt.
    Siden hans originale papir, er der dukket adskillige vanskeligheder med hans plan op. For det første antog Dyson, at det dybe rums middeltemperatur - i øjeblikket 2,7 kelvin, som sat af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling - altid ville falde, når kosmos ekspanderer, så organismerne kunne fortsætte med at sænke deres temperatur for evigt. Men hvis universet har en kosmologisk konstant, har temperaturen et absolut gulv, som er fastsat af Gibbons-Hawking strålingen. For nuværende estimater af den kosmologiske konstants værdi har denne stråling en effektiv værdi på omkring 10^-29 kelvin. Som det blev påpeget af kosmologerne J. Richard Gott II, John Barrow, Frank Tipler og os: når organismerne var afkølet til dette niveau kunne de ikke fortsætte med at sænke deres temperatur for at spare energi.
    Den anden vanskelighed er behovet for vækkeure til at vække organismerne med mellemrum. Disse ure skulle virke pålideligt i længere og længere perioder på mindre og mindre energi. Kvantemekanikken antyder, at dette er umuligt. Overvej f.eks., et vækkeur, som består af to små bolde, som fjernes langt fra hinanden og derefter rettes mod hinanden og slippes. Når de kolliderer, får de en klokke til at ringe. For at forlænge tiden mellem alarmerne, ville organismerne frigøre boldene med lavere hastighed. Men med tiden vil uret løbe mod begrænsninger fra Heisenbergs ubestemthedsprincip, som forhindrer at boldenes fart og position begge specificeres med vilkårlig præcision. Hvis den ene eller den anden er tilstrækkelig unøjagtig, vil vækkeuret fejle og vintersøvnen vil blive til evig hvile.
    Man kunne forestille sig andre vækkeure, der for evigt kunne forblive over kvantegrænsen og som endda kunne integreres i selve organismen. Ikke desto mindre er ingen endnu kommet med en specifik mekanisme, med et endeligt energiforbrug, som med pålidelighed kunne vække en organisme.

Den evige gentagelse af det samme

Den tredje og mest almene tvivl om langtidslevedygtigheden af intelligent liv involverer fundamentale begrænsninger af beregning. Computer forskere troede engang, at det var umuligt at beregne uden at forbruge en vis minimal mængde energi pr. operation, en mængde, som er direkte proportional med computerens temperatur. Så gik det i de tidlige 1980'ere op for forskerne, at visse fysiske processer, som kvantevirkninger eller de tilfældige Brownske bevægelser af partikler i en væske, kunne tjene som grundlag for en tabsløs computer [se "The Fundamental Physical Limits of Computation," af Charles H. Bennett og Rolf Landauer; Scientific American, Juli 1985]. Sådanne computere kunne virke med en vilkårlig lille mængde energi. For at bruge mindre, kører de helt enkelt langsommere - en byttehandel, som evige organismer måske kan gøre. Der er kun to betingelser. For det første skal de forblive i termisk ligevægt med deres miljø. For det andet må de aldrig kassere information. Hvis de gjorde, ville beregningen blive uomstødelig og termodynamisk skal en uomstødelig proces sprede energi.
    Ulykkeligvis bliver disse forhold uoverstigelige i et ekspanderende univers. Efterhånden som kosmisk ekspansion fortynder og strækker lysets bølgelængde, bliver organismer ude af stand til at udsende eller absorbere den stråling, de skulle bruge til at etablere termisk ligevægt med deres omgivelser. Og med en endelig mængde materiale til rådighed og derfor en endelig hukommelse, ville de med tiden være nødt til at glemme en gammel tanke for at have en ny. Hvilken form for evig eksistens kunne sådanne organismer have, selv i princippet? De kunne kun indsamle et endeligt antal partikler og en endelig mængde information. Disse partikler og bits kunne kun konfigureres på et endeligt antal måder. Fordi tanker er reorganiseringen af information, betyder endelig information et endeligt antal tanker. Alt hvad organismerne ville gøre var at genleve fortiden, have de samme tanker igen og igen. Evigheden ville blive et fængsel snarere end en endeløst vigende horisont af kreativitet og udforskning. Det kunne være nirvana, men ville det være at leve?
    Det er kun fair at pege på, at Dyson ikke har opgivet. I sin korrespondance med os har han foreslået, at livet kan undgå kvantebegrænsningerne på energi og information ved f.eks. at vokse i størrelse eller bruge forskellige typer hukommelse. Som han formulerer det, er spørgsmålet, hvorvidt livet er "analogt" eller "digitalt" - dvs. hvorvidt kontinuum fysik eller kvantefysik sætter dets grænser. Vi tror, at i det lange løb er livet digitalt.
    Er der noget andet håb om evigt liv? Kvantemekanikken, som ifølge vore argumenter sætter så ubøjelige grænser for livet, kunne komme til undsætning i en anden forklædning. Hvis gravitationens kvantemekanik f.eks. tillader eksistensen af stabile ormehuller, kunne livsformer omgå de barrierer lysets hastighed rejser, besøge dele af universet, som ellers er utilgængelige og indsamle uendelige mængder energi og information. Eller måske kunne de konstruere "baby" universer [se "The Self-Reproducing Inflationary Universe," af Andrei Linde; Scientific American, November 1994], [Det selv-reproducerende inflatoriske univers] og sende sig selv, eller i det mindste et sæt instruktioner til at gendanne sig selv, igennem til baby universet. På den måde kunne livet fortsætte.
    De endelige grænser for livet vil under alle omstændigheder først blive betydningsfulde på tidsskalaer, som er virkelig kosmiske. Alligevel kan det for nogen forekomme forstyrrende at livet, i hvert fald i dets fysiske inkarnation, må komme til en afslutning. Men for os er det bemærkelsesværdigt, at vi, selv med vor begrænsede viden, kan drage konklusioner om så store spørgsmål. Måske er det, at være bekendt med vort fascinerende univers og vor skæbne inde i det, en større gave end at kunne bebo det for evigt.

Yderligere læsning

Time without End: Physics and Biology in an Open Universe. Freeman J. Dyson in Reviews of Modern Physics, Vol. 51, No. 3, pages 447-460; July 1979.

The Anthropic Cosmological Principle. John D. Barrow and Frank J. Tipler. Oxford University Press, 1988.

The Last Three Minutes: Conjectures about the Ultimate Fate of the Universe. Paul C.W. Davies. HarperCollins, 1997.

The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity. Fred Adams and Greg Laughlin. Free Press, 1999.

Quintessence: The Mystery of the Missing Mass. Lawrence M. Krauss. Basic Books, 1999.

Life, the Universe, and Nothing: Life and Death in an Ever-Expanding Universe. Lawrence M. Krauss and Glenn D. Starkman in Astrophysical Journal (in press). Available at xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9902189 on the World Wide Web.

* Lawrence M. Krauss og Glenn D. Starkman betragter deres overvejelser af livets fremtid som en naturlig udvidelse af deres interesse i universet. Krauss' bøger om science fictions forudsigelser, The Physics of Star Trek og Beyond Star Trek har en lignende motivation. Som formand for fysikafdelingen på Case Western Reserve University i Cleveland, var Krauss blandt de første kosmologer, der argumenterede kraftigt for, at universet er domineret af en kosmologisk konstant - et synspunkt, der nu deles bredt. Starkman, også professor på Case Western, er måske bedst kendt for sit arbejde på universets topologi. Begge forfattere er frustrerede optimister. De har søgt måder hvorpå livet kunne holde ud for evigt, uden held. I 2000 har Krauss udgivet Quintessence: The mystery of Missing Mass in the Universe. Basic Books, New York, 2000 og i 2001 Atom: An Odyssey From the Big Bang to Life on Earth...and Beyond Little, Brown, New York, 2001.

*Oversat fra The Fate of Life in the Universe, Scientific American, November 1999, ss.36-43.

27. juli, 2006.

Indhold
Er det Stærke Antropiske Princip for svagt? :Én sti: Er der liv andetsteds i Universet
Kosmologisk antigravitation
Første Rekognoscering: Udforskning af andre solsystemer
Index