|
Søgen efter liv i multiverset
Universer med forskellige fysiske love kan alligevel være beboelige
Alejandro Jenkins & Gilad Perez*
Scenario 1: Det Svagløse Univers Scenario 2: Universer
med forskellige kvarker
Nøglebegreber
Den typiske Hollywood actionhelt lever af at kante sig forbi døden. Igen og igen skyder snesevis af slemme fyre på ham fra mangfoldige retninger men skyder forbi med en hårsbredde. Biler eksploderer kun en brøkdel af et sekund for sent til, at ildkuglen indhenter ham, før han finder et skjul. Og venner kommer til undsætning lige før en skurks kniv snitter hans hals. Hvis noget af dette skete bare lidt anderledes, ville helten være hasta la vista, baby. Men selv om vi ikke har set filmen før, er der noget, der siger os, at han vil klare sig til slutningen i et stykke. I nogen henseender minder vort univers' historie om en Hollywood actionfilm. Adskillige fysikere har argumenteret for, at en lille ændring af en af fysikkens love ville forårsage en eller anden katastrofe, der ville forstyrre universets normale udvikling og umuliggøre vor eksistens. Hvis, f.eks., den stærke kernekraft, der binder atomkernerne sammen, havde været lidt stærkere eller svagere, ville stjernerne have smedet meget lidt carbon og andre grundstoffer, der synes nødvendige for at danne planeter, for ikke at sige liv. Hvis protonen var blot 0,2 procent tungere, end den er, ville al tidlig hydrogen være henfaldet til neutroner næsten øjeblikkeligt og ingen atomer ville være dannet. Listen fortsætter.
Fysikkens love - og især
de naturkonstanter der indgår i disse love, som de fundamentale kræfters
styrke - kunne derfor forekomme finjusterede til at muliggøre vor eksistens.
Uden at påkalde en overnaturlig forklaring, hvilket pr. definition ville være
udenfor videnskabens horisont, begyndte et antal fysikere og kosmologer i
1970'erne at løse gåden ved at gætte på, at vort univers kun er et af mange
eksisterende universer, hver med sine egne love. Ifølge denne "antropiske"
fornuftslutning bebor vi blot det sjældne univers, hvor de rette forhold
tilfældigvis har fundet sammen og gjort liv muligt. Forbavsende nok foreslår den fremherskende teori i moderne kosmologi, som fremkom i 1980'erne, at sådanne "parallelle universer" måske virkelig findes - faktisk, at en mangfoldighed af universer uophørligt springer ud fra et tidligt vakuum, på samme måde som vort gjorde i big bang. Vort univers ville blot være et af mange lommeuniverser inde i et udvidet begreb kaldet multiverset. I et overvældende flertal af disse universer tillader fysikkens love måske ikke dannelsen af stof, som vi kender det, eller af galakser, stjerner, planeter og liv. Men bare givet antallet af muligheder, ville naturen have en god chance for at få det "rette" sæt love mindst én gang.Vore nylige studier antyder imidlertid, at nogle af disse andre universer - idet vi antager at de findes - måske trods alt ikke er så ugæstfri. Det er bemærkelsesværdigt, at vi har fundet eksempler på alternative værdier af de fundamentale konstanter, og derfor alternative sæt fysiske love, der alligevel kunne føre til meget interessante verdener og måske til liv. Den grundlæggende ide er at ændre en side af naturens love og så udføre kompenserende ændringer på andre sider. Vort arbejde beskæftigede sig ikke med det mest alvorlige finjusteringsproblem i teoretisk fysik: den lille størrelse af den "kosmologiske konstant," takket være hvilken vort univers hverken kollapsede igen til intethed en brøkdel af et sekund efter big bang eller blev flået fra hinanden af en eksponentielt accelererende udvidelse. Ikke desto mindre rejser eksemplerne på alternative, potentielt beboelige universer interessante spørgsmål og motiverer yderligere forskning i, hvor unikt vort eget univers kunne være.
For at finde ud af om en bestemt naturkonstant er finjusteret eller ej gør forskerne normalt den "konstant" til en justerbar parameter og rykker den, mens de lader alle andre konstanter uændrede. Baseret på deres nyligt modificerede fysiklove spiller de så universets "film" - de laver beregninger, hvad-om scenarier eller computersimuleringer - for at se, hvilken katastrofe der sker først. Men der er ingen grund til, at de kun skulle rykke en parameter af gangen. Den situation svarer til at prøve at køre en bil ved kun at variere ens bredde eller ens længde, men ikke begge: medmindre man bevæger sig på et gitter vil man uvægerligt ende i grøften. I stedet kan man rykke flere parametre samtidigt. For at lede efter
alternative sæt love, der stadig giver anledning til komplekse strukturer,
som kan opretholde liv, lavede en af os (Perez) og hans medarbejdere ikke
bare små ryk af fysikkens kendte love: de eliminerede en af de fire kendte
naturkræfter fuldstændigt. Hvordan man finder
gæstfri universer
Gennem selve deres navn lyder de fundamentale kræfter som uundværlige egenskaber ved ethvert univers med respekt for sig selv. Uden den stærke kernekraft til at binde kvarker sammen til protoner og protoner sammen med neutroner til atomkerner ville stof, som vi kender det, ikke eksistere. Uden den elektromagnetiske kraft ville der ikke være noget lys; der ville heller ikke være nogen atomer og kemiske bindinger. Uden gravitation ville der ikke være nogen kraft til at forene stoffet til galakser, stjerner og planeter. Den fjerde kraft, den svage kernekraft, har en mere underfundig tilstedeværelse i vort daglige liv, men har alligevel spillet en vigtig rolle i vort univers' historie. Blandt andet muliggør den svage kraft de reaktioner, der gør neutroner til protoner og omvendt. I de første øjeblikke af big bang, efter kvarkerne (blandt de første former for stof der dukkede op) havde forenet sig i grupper på tre for at danne protoner og neutroner, kollektivt kaldet baryoner, var grupper på fire protoner i stand til at smelte sammen og blive til helium 4 kerner, lavet af to protoner og to neutroner. Denne såkaldte big bang kernesyntese fandt sted nogle få sekunder inde i vort univers' liv, da det allerede var koldt nok til at baryoner kunne dannes, men stadig varmt nok til at baryonerne kunne gennemgå kernefusion. Big bang kernesyntese frembragte den hydrogen og helium, der senere ville danne stjerner, hvor kernefusion og andre processer ville smede faktisk alle andre naturligt forekommende grundstoffer. Og op til dagen idag fortsætter fusionen af fire protoner, som laver helium 4, inde i vor sol, hvor den frembringer det meste af den energi, som vi modtager fra den. Andre ideer om
”parallelle universer”
Uden den svage
kernekraft forekommer det derfor usandsynligt at et univers kunne indeholde noget,
der minder om kompleks kemi, for ikke at sige liv. Men i 2006 opdagede Perezs
hold et sæt fysiske love, der kun hvilede på de andre tre naturkræfter og
alligevel fører til et univers af passende beskaffenhed. Elimination af den svage kernekraft krævede adskillige modifikationer af partikelfysikkens såkaldte Standardmodel, teorien der beskriver alle kræfter undtaget gravitation. Holdet viste, at rykkene kunne udføres på en sådan måde, at de andre tre kræfters adfærd - og andre afgørende parametre som kvarkernes masse - ville være den samme som i vor verden. Vi bør understrege, at dette valg var konservativt, beregnet på at muliggøre beregningen af, hvordan universet ville udfolde sig. Det er meget muligt, at at der kunne findes et bredt spektrum af andre "svagløse" universer, der er beboelige, men slet ikke ligner vort eget. I det svagløse univers ville den sædvanlige sammensmeltning af protoner, som danner helium, være umulig, fordi den kræver, at to af protonerne omdannes til neutroner. Men der kunne findes andre stier til skabelse af grundstofferne. For eksempel indeholder vort univers overvældende meget mere stof end antistof, men en lille justering af den parameter, der kontrollerer denne asymmetri, er nok til at sikre, at big bang kernesyntesen ville efterlade en væsentlig mængde deuterium kerner. Deuterium, også kendt som helium 2, er hydrogens isotop, hvis kerne indeholder en neutron foruden den sædvanlige proton. Så kunne stjerner skinne ved at sammensmelte en proton og en deuteriumkerne og lave en helium 3 kerne (to protoner og en neutron). Sådanne svagløse stjerner ville være koldere og mindre end stjernerne i vort eget univers. Ifølge computersimuleringer af astrofysikeren Adam Burrows fra Princeton University ville de brænde i omkring syv milliarder år - omkring Solens nuværende alder - og udstråle energi med en rate på nogle få procent af Solens.
Ligesom stjerner i vort univers kunne svagløse stjerner syntetisere grundstoffer så tunge som jern gennem yderligere kernefusion. Men de typiske reaktioner, der i vore stjerner fører til grundstoffer hinsides jern, ville være kompromiterede, primært fordi der ville være få neutroner til rådighed for kerner at indfange og derved blive til tungere isotoper, det første trin i dannelsen af tungere grundstoffer. Små mængder tunge grundstoffer, op til strontium, kunne måske alligevel syntetiseres inde i svagløse stjerner gennem andre mekanismer. I vort univers spreder supernova eksplosioner de nyligt syntetiserede grundstoffer i rummet og syntetiserer selv flere af grundstofferne. Der kan findes adskillige typer supernova: i det svagløse univers ville supernovaeksplosionerne forårsaget af kollapsende ultramassive stjerner fejle, fordi det er udstrålingen af neutroner frembragt via den svage krafts vekselvirkninger, der transmitterer energi ud af stjernens kerne og opretholder den chockbølge, der forårsager eksplosionen. Men en anden type supernova - den termonukleare eksplosion af en stjerne udløst af indfangning af stof - ville stadig foregå. Således kunne grundstoffer blive spredt i det interstellare rum, hvor de kunne så ny stjerner og planeter. Givet de svagløse stjerners relative kulde ville et svagløst Jord-lignende legeme skulle være omkring seks gange nærmere dets sol for at holde sig så varmt som vor egen Jord. For beboerne på en sådan planet ville solen synes meget større. Svagløse Jorde ville være væsentligt anderledes end vor egen Jord på andre måder. I vor verden drives pladetektonik og vulkaner af radioaktivt henfald af uran og thorium dybt inde i Jorden. Uden disse tunge grundstoffer kunne en typisk svagløs jord måske have en kedelig geologi uden særpræg - undtagen hvis gravitationsprocesser gav en alternativ kilde til opvarmning, som det sker på nogle af Saturns og Jupiters måner. På den anden side ville
kemien være meget lig den, der er i vor verden. En forskel ville være, at den
periodiske tabel ville stoppe ved jern, undtaget yderst små spor af andre
grundstoffer. Men denne begrænsning burde ikke forhindre livsformer lig dem,
vi kender fra udvikling. Således ville et univers med blot tre fundamentale
kræfter være af passende beskaffenhed til liv. En anden indfaldsvinkel, som den anden af os (Jenkins) og hans medarbejdere beskæftiger sig med, søger efter alternative sæt love ved at lave mindre ryk i Standardmodellen end i tilfældet med det svagløse univers, men involverer dog stadig mange parametre på en gang. I 2008 studerede gruppen, i hvilken udstrækning masserne af de tre letteste af de seks kvarker - kaldet op, ned og strange kvarkerne - kan variere uden at gøre organisk kemi umulig. Ændring af kvarkmasserne vil uvægerligt påvirke, hvilke baryoner og hvilke atomkerner der kan eksistere uden at henfalde hurtigt. Derefter vil det anderledes udbud af atomkerner påvirke kemien.
Det forekommer plausibelt, at intelligent liv kræver en form for organisk kemi (hvis det ikke er meget anderledes end os), hvilket pr. definition er kemi, der involverer carbon. Carbons kemiske egenskaber følger af den kendsgerning, at dets kerne har en elektrisk ladning på 6, så seks elektroner kredser i et neutralt carbon atom. Disse egenskaber lader carbon danne en enorm variation af komplekse molekyler. (Et forslag fra science fiction skribenter om at liv i stedet kunne være baseret på silicium - det næste grundstof i carbons gruppe i den periodiske tabel - er tvivlsomt: man kender ikke til eksistensen af nogen siliciumbaserede molekyler af betydelig grad af kompleksitet.) For at komplekse organiske molekyler skal kunne dannes kræves endvidere, at kemien hos hydrogen (ladning 1) og oxygen (ladning 8) er tilstede. For at se om de kunne vedligeholde organisk kemi, måtte holdet beregne, om kerner med ladning 1, 6 eller 8 ville henfalde radioaktivt, før de kunne deltage i kemiske reaktioner. En kernes stabilitet afhænger delvist af dens masse, som igen afhænger af massen af de baryoner, den er lavet af. Beregning af baryoners og kerners masser ud fra kvarkernes masse er en yderst stor udfordring selv i vort univers. Men efter at have rykket intensiteten af vekselvirkningen mellem kvarker kan man bruge de målte baryon masser i vort univers til at vurdere, hvordan små ændringer af kvarkernes masse ville påvirke kernernes masser. I vores verden er neutronen omkring 0,1 procent tungere end protonen. Hvis kvarkernes masse blev ændret, så neutronen blev 2 procent tungere end protonen, ville der ikke eksistere nogen langtidslevende form for carbon eller oxygen. Hvis kvark masserne blev justeret, så protonen blev tungere end neutronen, så ville protonen i en hydrogenkerne indfange den omgivende elektron og blive til en neutron, så hydrogenatomer ikke kunne eksistere ret længe. Men deuterium eller tritium (hydrogen 3) ville måske stadig være stabile og det ville nogle former for oxygen og carbon også. Vi fandt faktisk, at kun hvis protonen blev tungere end neutronen med mere end omkring 1 procent, ville der ophøre med at være nogen stabil form for hydrogen. Med deuterium (eller tritium) som erstatning for hydrogen 1 ville oceaner være lavet af tungt vand, som har underfundige, anderledes fysiske og kemiske egenskaber end almindeligt vand. Alligevel synes der ikke at være nogen fundamental hindring i disse verdener for udvikling af en form for organisk liv. I vor verden er den tredjeletteste kvark - strange kvarken - for tung til at deltage i kernefysik. Men hvis dens masse blev reduceret med en faktor på mere end omkring 10, kunne kerner være lavet ikke blot af protoner og neutroner men også af andre baryoner indeholdende strange kvarker. For eksempel identificerede holdet et univers, i hvilket op og strange kvarkerne ville have omtrent samme masse, hvorimod ned kvarken ville være meget lettere. Så ville atomkerner ikke være lavet af protoner og neutroner men i stedet af neutroner og en anden baryon kaldet S- ("sigma minus"). Det er bemærkelsesværdigt, at selv et så radikalt anderledes univers ville have stabile former for hydrogen, carbon og oxygen og derfor kunne have organisk kemi. Hvorvidt disse grundstoffer ville blive produceret i tilstrækkelige mængder til, at liv kunne udvikle sig et eller andet sted inde i dem, er et ubesvaret spørgsmål. Men hvis liv kan opstå, vil det igen ske meget på samme måde som det gør i vores verden. Fysikerne i et sådant univers kunne blive forvirrede over, at op og strange kvarkerne ville have næsten identiske masser. De kunne måske endda forestille sig, at dette forbavsende sammenfald har en antropisk forklaring, baseret på behovet for organisk kemi. Vi ved imidlertid, at en sådan forklaring ville være forkert, fordi vor verden har organisk kemi, selv om ned og strange kvarkernes masser er temmelig forskellige. På den anden side ville universer, i hvilke de tre lette kvarker havde stort set samme masser, sandsynligvis ikke have organisk kemi: enhver kerne med mere end et par enheder elektrisk ladning ville henfalde bort næsten øjeblikkeligt. Uheldigvis er det meget vanskeligt at kortlægge en detaljeret historie for universer, hvis fysiske parametre er anderledes end vore egne. Dette emne kræver yderligere forskning.
Finjustering er af nogle teoretiske fysikere blevet påkaldt som indirekte vidnesbyrd om multiverset. Stiller vore opdagelser derfor spørgsmålstegn ved begrebet om et multivers? Vi mener ikke at det nødvendigvis er tilfældet af to grunde. Den første kommer fra observation kombineret med teori. Astronomiske data støtter stærkt hypotesen, at vort univers startede som en lillebitte lap rumtid, måske så lille som en milliarddel af en protons størrelse, som så gennemgik en fase med hurtig, eksponentiel vækst, kaldet inflation. Kosmologi savner stadig en definitiv teoretisk model for inflation, men teorien antyder, at forskellige lapper kunne inflatere med forskellige hastigheder og at hver lap kunne danne en "lomme," der i sig selv kunne blive til et univers, karakteriseret af dets egne værdier for naturkonstanterne [se "The Self-Reproducing Inflationary Universe," af Andrei Linde; Scientific American, November 1994] [Det selv-reproducerende inflatoriske univers]. Rummet mellem lommeuniverserne ville blive ved med at udvide sig så hurtigt, at det ville være umuligt at rejse eller sende budskaber fra en lomme til den næste, selv med lysets hastighed. Den anden grund til at mistænke multiversets eksistens er, at én mængde stadig forekommer at være finjusteret i ekstraordinær grad: den kosmologiske konstant, som repræsenterer mængden af energi, det tomme rum indeholder. Kvantefysikken forudsiger, at det ellers tomme rum skal indeholde energi. Einsteins almene relativitetsteori kræver, at alle former for energi udøver gravitation. Hvis denne energi er positiv, får den rumtiden til at udvide sig med en eksponentielt accelererende hastighed. Hvis den er negativ, ville universet kollapse igen i et "stort knas." Kvanteteorien synes at indebære, at den kosmologiske konstant skulle være så stor - i den positive eller negative retning - at rummet ville udvide sig for hurtigt til, at strukturer som galakser ville have en chance for at dannes eller at universet ellers ville eksistere i en brøkdel af et sekund, før det kollapsede igen. En måde at forklare, hvorfor vort univers undgik sådanne katastrofer, på kunne være, at et andet led i ligningerne udlignede den kosmologiske konstants virkninger. Problemet er, at dette led skulle være finjusteret med udsøgt præcision. En afvigelse i selv den 100. decimalplads ville føre til et univers uden nogen struktur af betydning. I 1987 foreslog Steven Weinberg, den Nobelpris vindende teoretiker på University of Texas at Austin, en antropisk forklaring. Han beregnede en øvre grænse for værdien af den kosmologiske konstant, der stadig ville være passende for liv. Hvis værdien var større ville rummet udvide sig så hurtigt, at universet ville mangle de strukturer, som liv kræver. Så forudsiger selve vor eksistens, på en måde, konstantens lave værdi. Så opdagede astronomerne sidst i 1980'erne, at universet virkelig udvider sig med accelererende hastighed, skubbet af en mystisk form for "mørk energi." Den observerede hastighed betød, at den kosmologiske konstant er positiv og lillebitte - indenfor grænserne af Weinbergs forudsigelse - hvilket betyder, at den mørke energi er meget fortyndet. Således forekommer den kosmologiske konstant at være finjusteret i usædvanlig grad. Desuden ser det ud til, at de metoder, som vore hold har anvendt på den svage kernekraft og på kvarkernes masser, fejler i dette tilfælde, fordi det forekommer umuligt at finde universer af passende beskaffenhed, i hvilke den kosmologiske konstant er væsentlig større end den værdi, vi observerer. Inde i et multivers kunne den langt overvejende del af universerne have kosmologiske konstanter uforenelige med dannelsen af enhver struktur. En analogi fra den virkelige verden - i modsætning til actionfilmen - ville være at sende tusinder af folk på vandring tværs over en bjergrig ørken. De få, som klarer sig ud i live, kan måske fortælle spændende historier om møder med giftslanger og andre dødsensfarlige oplevelser, der ville forekomme for spændende til at være realistiske. Teoretiske argumenter med rod i strengteori - en spekulativ udstrækning af Standardmodellen, der forsøger at beskrive alle kræfter som vibrationer i mikroskopiske strenge - synes at bekræfte et sådant scenario. Disse argumenter foreslår, at under inflationen kunne den kosmologiske konstant og andre parametre have antaget et praktisk taget uendeligt område af forskellige værdier, kaldet strengteoriens landskab [se "The String Theory Landscape," af Raphael Bousso og Joseph Polchinski, Scientific American, September 2004] [Strengteoriens landskab]. Vort eget arbejde sår imidlertid nogen tvivl om det nyttige ved antropisk fornuftslutning, i det mindste ud over tilfældet med den kosmologiske konstant. Det rejser også vigtige spørgsmål. For eksempel: Hvis liv virkelig er muligt i et svagløst univers, hvorfor har vort eget univers så overhovedet en svag kraft? Faktisk anser partikelfysikere den svage kraft i vort univers for, i en vis forstand, at være for lille, ikke svag nok. Dens observerede værdi forekommer unaturligt stærk inde i Standardmodellen. (Den førende forklaring på dette mysterium kræver eksistensen af nye partikler og kræfter, som fysikerne håber at opdage med den nyligt åbnede Large Hadron Collider på CERN nær Geneve.) Som en konsekvens forventer mange teoretikere, at de fleste universer ville have svage vekselvirkninger så forsagte, at deres virkning i praksis er fraværende. Så kan den virkelige udfordring være at forklare, hvorfor vi ikke lever i et svagløst univers. Kun en dybere viden, om hvordan universer fødes, kan med tiden besvare sådanne spørgsmål. Især opdager vi måske fysiske principper på et mere fundamentalt niveau, der betyder, at naturen foretrækker visse sæt love fremfor andre. Vi finder måske aldrig direkte vidnesbyrd om
eksistensen af andre universer og vi kommer afgjort aldrig til at besøge et.
Men vi kan have behov for at lære mere om dem, hvis vi ønsker at forstå, hvad
vor sande plads er i multiverset - eller hvad det end er, der er derude. Scenario
1: Det Svagløse Univers Kort historie om et
alternativt univers
ß
ß
Scenario 2: Universer med forskellige kvarker Vi roder med stoffet
Er der nogen derude?
Mere at udforske A Designer Universe? Steven Weinberg. Conference on
Cosmic Design of the American Association for the Advancement of Science,
Washington, D.C., April 1999. Online på www.physlink.com/Education/essay_weinberg.cfm Parallel Universes. Max
Tegmark i Scientific American, Vol.
288, No. 5, siderne 30-41; Maj 2003. A Universe without Weak Interactions. Roni Harnik,
Graham D. Kribs og Gilad Perez i Physics
Review D, Vol. 74, No. 3, siderne 035006-1-035006-15; August 2006. Quark Masses: An Environmental Impact Statement. Robert
L. Jaffe, Alejandro Jenkins og Itamar Kimchi i Physical Review D, Vol. 79, No. 6, siderne 065014-1-065014-33;
Marts 2009.
*Alejandro Jenkins, fra Costa Rica, er i High Energy Physics gruppen på Florida State University. Han har eksaminer fra Harvard University og California Institute of Technology og han undersøgte alternative universer med Bob Jaffe og Itamar Kimchi, mens han var på Massachusetts Institute of Technology. Gilad Perez er teoretiker på Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel, hvor han modtog sin Ph.D. i 2003. Mens han var på Lawrence Berkeley National Lab udforskede han multiverset med Roni Harnik fra Stanford University og Graham D. Kribs fra University of Oregon. Han har også udført arbejde på Stony Brook University, Boston University og Harvard.
Fra Looking
for Life in the Multiverse, Scientific
American, Januar 2010.
20. marts, 2010. Det selv-reproducerende Inflatoriske univers
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
