Kolliderende
universer
Naturen
er ikke kun mærkeligere end vi antager, den er mærkeligere end vi kan antage
J.B.S. Haldane
Michio Kaku
Indledning
Universets bølgefunktion.
At anbringe Gud tilbage i universet.
På genvisit hos Schrödingers kat.
Mange verdener.
Parallelle verdener.
De gigantiske ormehullers angreb.
Kosmologen Stephen Hawking er en af de mest tragiske
skikkelser i videnskaben. Døende af en uhelbredelig, udartet sygdom har han
ubøjeligt gennemført sine forskningsaktiviteter stående overfor næsten
uovervindelige hindringer. Skønt han har mistet kontrol med sine hænder, ben,
tunge og stemmebånd har han været spydspids for ny forskningsområder, medens
han har været bundet til sin kørestol. Enhver mindre fysiker ville forlængst
have opgivet kampen med at takle videnskabens store problemer.
Ude af stand til at gribe en blyant udfører han alle
sine beregninger i hovedet, til tider hjulpet af en assistent. Berøvet brug
af stemmebåndene bruger han mekaniske anordninger til at kommunikere med den
ydre verden. Men han opretholder ikke blot et kraftigt forskningsprogram, men
tog sig også tid til at skrive en bestseller, A Brief History of Time,
og holde forelæsninger rundt om i verden.
Jeg besøgte en gang Hawking i hans hjem lige uden for
Cambridge University, da jeg blev inviteret til at tale på en fysikkonference
han organiserede. Da jeg gik gennem hans dagligstue, blev jeg forbavset over
den imponerende samling smarte hjælpemidler, som han bruger til at fortsætte
sin forskning. For eksempel så jeg på hans skrivebord en anordning der meget
lignede dem musikere bruger til at holde musiknoder. Denne var imidlertid
meget mere udviklet og havde en evne til at gribe hver side og omhyggeligt
vende den så man kunne læse en bog. (Jeg gyste, da jeg overvejede, som jeg
tror mange fysikere har, hvorvidt jeg ville have udholdenhed og rå
viljestyrke til at fortsætte forskning uden arme, ben eller en stemme, selv
om jeg havde de fineste hjælpemidler til rådighed.)
Hawking er Lucasian Professor of Physics ved
Cambridge University, den samme stilling som Isaac Newton indtog. Og som sin
strålende forgænger har Hawking indladt sig på århundredets største
eftersøgning, den endelige forening af Einsteins gravitationsteori og
kvanteteorien. Som resultat har han også undret sig over den elegante
selvkonsistens ved den tidimensionale teori og slutter faktisk sin bestseller
med en diskussion af den.
Hawking bruger ikke længere størstedelen af sin
kreative energi på det felt, der gjorde ham verdensberømt - sorte huller -
som nu er passé. Han jager større vildt - den forenede feltteori.
Strengteori, husker vi, begyndte som en kvanteteori og absorberede så senere
Einsteins teori om gravitation. Hawking, der begyndte som en rent klassisk
relativist snarere end kvanteteoretiker, angriber opgaven fra det andet
synspunkt. Han og hans kollega James Hartle begynder med Einsteins klassiske
univers og kvantiserer så hele universet!
Hawking er en af grundlæggerne af en ny videnskabelig
disciplin kaldet kvantekosmologi. I begyndelsen forekommer dette at
være en modstridende betegnelse. Ordet kvante gælder for den uendelig
lille verden af kvarker og neutrinoer, men kosmologi betegner det ydre
rums næsten grænseløse vidder. Hawking og andre mener imidlertid nu, at
kosmologiens endelige spørgsmål kun kan besvares af kvanteteorien. Hawking
fører kvantekosmologien til dens endelige kvante konklusion, som tillader
eksistensen af uendelige antal parallelle universer.
Kvanteteoriens udgangspunkt, husker vi, er en
bølgefunktion, der beskriver alle en partikels mulige tilstande. Forestil dig
f.eks. en stor, uregelmæssig tordensky, der dækker himlen. Jo mørkere
tordenskyen er, jo større er koncentrationen af vanddamp og støv på det
punkt. Ved således helt enkelt at se på tordenskyen kan vi hurtigt estimere
sandsynligheden for at finde store koncentrationer af vand og støv i visse
dele af skyen.
Figur 1. I Hawkings bølgefunktion for
universet er bølgefunktionen mest sandsynligt koncentreret omkring vort eget
univers. Vi lever i vort univers, fordi det er det mest rimelige med den
største sandsynlighed. Imidlertid er der en lille, men ikke forsvindende,
sandsynlighed for, at bølgefunktionen foretrækker parallelle nabouniverser.
Således kan overgange mellem universer måske være mulige (skønt med meget lav
sandsynlighed).
Tordenskyen kan sammenlignes med en enkelt
elektrons bølgefunktion. Som en tordensky fylder den hele rummet. På samme
måde, jo større dens værdi er i et punkt, jo større er sandsynligheden for at
finde elektronen der. På samme måde kan bølgefunktioner associeres med store
genstande som folk. Når jeg sidder i min stol i Princeton, ved jeg, at jeg
har en Schrödinger sandsynlighedsbølgefunktion. Hvis jeg kunne se min egen
bølgefunktion, ville den ligne en sky, som meget havde samme form som min
krop. Imidlertid ville noget af skyen sprede sig ud over hele rummet, ud til
Mars og endda hinsides solsystemet, skønt den ville være forsvindende lille
der. Dette betyder, at der er en meget stor sandsynlighed for, at jeg faktisk
sidder i min stol og ikke på planeten Mars. Skønt en del af min bølgefunktion
har bredt sig hinsides Mælkevejsgalaksen, er der kun en uendeligt lille
chance for at jeg sidder i en anden galakse.
Hawkings nye ide var, at behandle hele universet som
om det var en kvantepartikel. Ved at gentage nogle simple trin føres vi til
nogle øje-åbnende konklusioner.
Vi begynder med en bølgefunktion, der beskriver sættet
af alle mulige universer. Dette betyder at udgangspunktet for Hawkings
teori må være et uendeligt sæt af parallelle universer, universets
bølgefunktion. Hawkings temmelig enkle analyse, som erstatter ordet partikel
med universet, har ført til en begrebsmæssig revolution i vor tænkning
om kosmologi.
Ifølge dette billede spreder universets bølgefunktion
sig ud over alle mulige universer. Bølgefunktionen antages at være temmelig
stor nær vort eget univers, så der er en god chance for, at vort univers er
det korrekte, som vi forventer. Imidlertid spreder bølgefunktionen sig ud
over alle andre universer, selv dem der er livløse og ikke er kompatible med
de velkendte fysiklove. Da bølgefunktionen antages at være uendeligt lille
for disse andre universer forventer vi ikke at vort univers vil gøre et
kvantespring til dem i den nærmeste fremtid.
Målet, som kvantekosmologerne står overfor, er at
verificere denne gisning matematisk for at vise, at universets bølgefunktion
er stor for vort nuværende univers og uendeligt lille for andre universer.
Dette ville så bevise at vort velkendte univers i en vis fortand er unikt og
også stabilt. (I øjeblikket er kvantekosmologerne ude af stand til at løse
denne vigtige opgave.)
Figur 2. Vort univers kan være ét af et
uendeligt antal parallelle universer, som hver er forbundet til de andre af
en uendelig serie ormehuller. Rejse mellem disse ormehuller er mulig men
yderst usandsynlig.
Hvis vi tager Hawking alvorligt betyder det, at vi
må begynde vor analyse med et uendeligt antal af alle mulige universer, som
sameksisterer med hinanden. For at sige det ligefremt er definitionen af
ordet univers ikke længere "alt der eksisterer." Det betyder
nu "alt der kan eksistere." F.eks. ser vi i Figur 1, hvordan
universets bølgefunktion kan spredes ud over adskillige mulige universer, med
vort univers som det mest sandsynlige, men bestemt ikke det eneste. Hawkings
kvantekosmologi antager også at universets bølgefunktion tillader disse
universer at kollidere. Ormehuller kan udvikle sig og forbinde disse
universer. Imidlertid er disse ormehuller ikke som dem vi mødte i de
tidligere kapitler, der forbinder forskellige dele af det tredimensionale rum
med sig selv - disse ormehuller forbinder forskellige universer med hinanden.
Tænk, f.eks., på en stor samling sæbebobler svævende
i luften. Normalt er hver sæbeboble som et univers i sig selv, undtaget at
det en gang imellem støder ind i en anden boble og danner en større eller
deler sig til to mindre bobler. Forskellen er, at hver sæbeboble nu er et
helt tidimensionalt univers. Da rum og tid kun kan eksistere på hver boble er
der ikke noget som rum og tid mellem boblerne. Hvert univers har sin egen
selvstændige "tid". Det er meningsløst at sige, at tiden går med
samme hastighed i alle disse universer. (Vi bør, imidlertid, understrege at
rejse mellem disse universer ikke er mulig for os på grund af vort primitive
teknologiske stade. Endvidere bør vi understrege, at store kvanteovergange på
denne skala er yderst sjælden, sandsynligvis meget større end vort univers'
levetid). De fleste af disse universer er døde universer, tomme for noget
liv. I disse universer var fysikkens love anderledes og derfor blev de
fysiske betingelser, der er nødvendige for liv, ikke opfyldt. Blandt alle de
milliarder af parallelle universer havde måske kun et (vores) det rette sæt
fysiske love til at tillade liv.
Hawkings "baby univers" teori rejser, selv
om den ikke muliggør praktisk transport, bestemt filosofiske og måske endda
religiøse spørgsmål. Den har allerede stimuleret to langvarige debatter
blandt kosmologer.
Den første debat drejer sig om det antropiske princip.
I løbet af århundrederne har forskerne lært stort set at betragte universet
uafhængigt af menneskelig forudindtagethed. Vi projicerer ikke længere vor
menneskelige fordomme og griller på enhver videnskabelig opdagelse. Historisk
begik tidlige forskere imidlertid ofte fejlen at være antropomorfe og antog
at genstande og dyr havde menneskelignende træk. Denne fejl begås af enhver,
der ser menneskelige følelser og humør udvist af deres kæledyr. (Den begås
også af Hollywood scriptforfattere, som regelmæssigt antager at væsener som
os må befolke planeter, der kredser om stjernerne i himlen.)
Antropomorfisme er et gammelt problem. Den Ioniske
filosof Xenophanes klagede engang "Mennesker forestiller sig at guder
fødes og at de har klæder og stemmer og skikkelser som deres ... Ja
Etiopernes er sorte og fladnæsede og Traciernes er rødhårede og
blå-øjede." Inden for de sidste par årtier er nogle kosmologer blevet
skrækslagne ved at finde, at antropomorfisme kryber tilbage i videnskaben
forklædt som det antropiske princip; nogle af dets fortalere erklærer åbent,
at de gerne vil anbringe Gud i videnskaben igen.
Der er faktisk nogen videnskabelig fortjeneste ved
denne mærkelige debat om det antropiske princip, som drejer sig om den
indiskutable kendsgerning, at hvis universets fysiske konstanter blev ændret
den mindste smule, ville liv i universet være umuligt. Er denne
bemærkelsesværdige kendsgerning et heldigt sammentræf eller viser det det
Højestes arbejde?
Der er to versioner af det antropiske princip. Den
"svage" version erklærer, at den kendsgerning at intelligent liv
(os) findes i universet bør tages som en eksperimentel kendsgerning, der
hjælper os med at forstå universets konstanter. Som Nobelpristageren Steven
Weinberg forklarer det, "verden er på den måde den er, i det mindste
delvist, fordi der ellers ikke ville være nogen til at spørge, hvorfor den er
som den er." Udtrykt på denne måde er den svage version af det
antropiske princip vanskelig at diskutere.
For at få liv i universet behøver man et sjældent
sammenfald af mange tilfældigheder. Livet, som afhænger af en variation af
komplekse biokemiske reaktioner, kan let blive umuliggjort, hvis vi ændrer
nogen af kemiens og fysikkens konstanter en lille smule. Hvis, f.eks., de
konstanter, der styrer kernefysikken, blev ændret blot lidt, så ville
kernesyntesen og skabelsen af de tunge grundstoffer i stjerner og supernovaer
blive umulig. Så kunne atomer blive ustabile eller umulige at skabe i
supernovaerr. Livet afhænger af de tunge grundstoffer (grundstoffer hinsides
jern) til skabelsen af DNA og proteinmolekyler. Således ville den mindste
ændring i kernefysikken gøre det umuligt at frembringe universets tungeste
grundstoffer i stjernerne. Vi er stjernernes børn; hvis kernefysikkens love
imidlertid ændrer sig det mindste, så vil vore "forældre" være ude
af stand til at få "børn" (os). Som et andet eksempel er det
sikkert at sige, at skabelsen af livet i de tidlige oceaner sandsynligvis tog
1 til 2 milliarder år. Hvis vi imidlertid kunne krympe protonens levetid til
adskillige millioner år, så ville livet være umuligt. Der ville ikke være nok
tid til at skabe livet ud af tilfældige kollisioner af molekyler.
Med andre ord betyder selve den kendsgerning, at vi
eksisterer i universet til at stille disse spørgsmål om det, at en kompleks
rækkefølge af begivenheder nødvendigvis må være hændt. Det betyder, at
naturens konstanter må have et vist område af værdier, så stjernerne levede
længe nok til at skabe de tunge grundstoffer i vore legemer, så protoner ikke
henfalder for hurtigt før livet har haft en chance for at spire og så videre.
Med andre ord anbringer eksistensen af mennesker, der kan stille spørgsmål om
universet, et enormt antal stramme begrænsninger på universets fysik - f.eks.
dets alder, dets kemiske sammensætning, dets temperatur, dets størrelse og
dets fysiske processer.
Da han kom med bemærkninger om disse kosmiske
sammenfald, skrev fysikeren Freeman Dyson engang, "Når vi ser ud i
universet og identificerer de mange tilfældigheder i fysik og astronomi, der
har arbejdet sammen til fordel for os, forekommer det næsten som om,
Universet i en vis forstand må have vidst, at vi kom." Dette tager os
til den "stærke" version af det antropiske princip, som erklærer at
alle universets fysiske konstanter er blevet præcist valgt (af Gud eller et
Højeste Væsen), så livet er muligt i vort univers. Fordi den stærke version
rejser spørgsmål om et højeste væsen, er det meget mere kontroversielt blandt
forskere.
Det er tænkeligt, at det kunne have været blindt held,
hvis kun nogle få naturkonstanter var krævet at indtage visse værdier for at
gøre liv muligt. Det ser imidlertid ud til, at et stort sæt fysiske
konstanter skal indtage et smalt bånd af værdier, for at livet kan dannes i
vort univers. Da tilfælde af denne type er yderst usandsynlige valgte en
højeste intelligens (Gud) måske disse værdier præcist for at skabe liv.
Når forskere første gang hører om en version af det
antropiske princip bliver de øjeblikkeligt overraskede. Fysikeren Heinz
Pagels huskede, "Her var en form for fornuftsslutning, som var
fuldstændig fremmed fra den sædvanlige form, som teoretiske fysikere udførte
deres arbejde på."
Det antropiske princip er en mere sofistikeret
version af det gamle argument, at Gud anbragte jorden i lige den rette
afstand fra solen. Hvis Gud havde placeret jorden for tæt på ville den være
for varm til at understøtte liv. Hvis Gud havde placeret jorden for langt væk
ville den være for kold. Fejlen ved dette argument er, at millioner af
planeter i galaksen sandsynligvis er i den ukorrekte afstand fra deres sol og
derved er liv på dem umuligt. Imidlertid vil nogle planeter ved et rent
tilfælde være i den rette afstand fra solen. Vor planet er en af dem og
derfor er vi her for at diskutere problemet.
Med tiden bliver de fleste forskere desillusionerede
over det antropiske princip, fordi det ikke har nogen forudsigende kraft
eller kan afprøves. Pagels konkluderede tøvende at "ulig fysikkens
principper giver det ingen måde, hvorpå man kan bestemme om det er rigtigt
eller forkert; der er ingen måde at afprøve det på. Ulig konventionelle
fysiske principper er det antropiske princip ikke egnet til eksperimentel
afprøvning - det sikre tegn på, at det ikke er et videnskabeligt
princip." Fysikeren Alan Guth siger ligefremt, "Følelsesmæssigt
berører det antropiske princip mig på den forkerte måde ... Det antropiske
princip er noget folk gør, hvis de ikke kan finde på andet at lave."
For Richard Feynman er den teoretiske fysikers mål at
"bevise at man tager fejl så hurtigt som muligt." Imidlertid er det
antropiske princip sterilt og kan ikke modbevises. Eller, som Weinberg sagde,
"skønt videnskab er umulig uden videnskabsfolk, er det ikke klart at
universet er umuligt uden videnskab."
Debatten om det antropiske princip (og derfor om Gud)
hvilede i mange år, indtil den fornylig blev genoplivet af Hawkings
bølgefunktion for universet. Hvis Hawking har ret, så er der virkelig et
uendeligt antal parallelle universer, mange med anderledes fysiske
konstanter. I nogle af dem henfalder protoner måske for hurtigt, eller
stjerner kan ikke fremstille de tunge grundstoffer hinsides jern, eller det
Store Knas finder sted for hurtigt, før livet kan begynde og så videre.
Faktisk er et uendeligt antal af disse parallelle universer døde, uden de
fysiske love der gør liv, som vi kender det, muligt.
På et sådant parallelt univers (vores) var fysikkens
love forenelige med liv, som vi kender det. Beviset er, at vi er her i dag
til at diskutere spørgsmålet. Hvis dette er sandt, behøver Gud måske ikke at
blive påkaldt for at forklare, hvorfor livet, kostbart som det er, er muligt
i vort univers. Dette åbner imidlertid igen muligheden for det svage
antropiske princip - dvs., at vi sameksisterer med mange døde universer og at
vores er det eneste, der er foreneligt med liv.
Den anden kontrovers, som blev stimuleret af Hawkings
bølgefunktion for universet, er meget dybere og faktisk stadig uløst. Den
kaldes Schrödingers kat problemet.
Fordi Hawkings teori om babyuniverser og ormehuller bruger
kvanteteoriens kraft, genåbner den uundgåeligt de stadig uløste debatter om
dens grundlag. Hawkings bølgefunktion for universet løser ikke disse
paradokser ved kvanteteorien fuldstændigt; den udtrykker dem kun i et forbavsende
nyt lys.
Kvanteteorien erklærer, husker vi, at for enhver
genstand findes der en bølgefunktion, der måler sandsynligheden for at finde
den genstand på et bestemt punkt i rum og tid. Kvanteteorien erklærer også,
at man aldrig virkelig kender en partikels tilstand før man har lavet en
observation. Før en måling udføres kan partiklen være i en af en variation af
tilstande, beskrevet af Schrödingers bølgefunktion. Før en måling kan udføres
kan man således ikke kende partiklens tilstand. Faktisk eksisterer partiklen
i en nedre tilstand, en sum af alle mulige tilstande, indtil en måling
udføres.
Da denne ide først blev foreslået af Niels Bohr og
Werner Heisenberg, gjorde Einstein oprør mod dette begreb. "Eksisterer
månen kun, fordi en mus ser på den?" holdt han af at spørge. Ifølge
kvanteteoriens strenge tolkning eksisterer månen ikke virkeligt, som vi
kender det, før den observeres. Månen kan faktisk være i en af et uendeligt
antal tilstande, inkluderende tilstanden af at være på himlen, være eksploderet
eller slet ikke være der. Det er måleprocessen, at se på den, der bestemmer,
at månen i virkeligheden cirkler om jorden.
Einstein havde mange ophedede diskussioner med Niels
Bohr, som udfordrede dette uortodokse verdenssyn. (I en meningsudveksling
sagde Bohr til Einstein i ophidselse, "Du tænker ikke. Du er bare
logisk!") Selv Erwin Schrödinger (som startede hele diskussionen med sin
fejrede bølgeligning) protesterede mod denne genfortolkning af sin ligning.
Han klagede engang, "Jeg kan ikke lide det og jeg er ked af, at jeg
nogensinde havde noget med det at gøre."
For at udfordre denne tolkning spurgte kritikerne,
"Er en kat død eller levende, før man kigger på den?"
For at vise hvor absurd dette spørgsmål er, anbragte
Schrödinger en imaginær kat i en forseglet kasse. Katten står overfor et
gevær, som er forbundet til en geigertæller, som igen er forbundet med et
stykke uran. Uranatomet er ustabilt og vil gennemgå radioaktivt henfald. Hvis
en urankerne går i stykker vil den blive opsamlet af geigertælleren, som så
vil udløse geværet, hvis kugle vil dræbe katten.
For at bestemme om katten er død eller levende må vi
åbne kassen og observere katten. Hvad er imidlertid kattens tilstand før vi
åbner kassen? Ifølge kvanteteorien kan vi kun erklære, at katten beskrives af
en bølgefunktion, der beskriver summen af en død kat og en levende kat.
For Schrödinger var ideen om at tænke på katte, som
hverken er døde eller levende toppen af absurditet, dog tvinger den
eksperimentelle bekræftelse af kvantemekanikken os ikke desto mindre til
denne konklusion. I øjeblikket har ethvert eksperiment verificeret
kvanteteorien.
Paradokset med Schrödingers kat er så bizart, at man
ofte mindes om hvordan Alice reagerede på Chesirekattens forsvinden i en
Lewis Carrol fabel: " 'Du vil se mig der,' sagde katten og forsvandt.
Alice blev ikke særlig forbavset over dette, hun var ved at blive så vant til
at der skete mærkelige ting." I årenes løb er fysikerne også blevet vant
til at der sker "mærkelige" ting i kvantemekanikken.
Der er mindst tre vigtige måder, hvorpå fysikere
behandler denne kompleksitet. For det første kan vi antage, at Gud findes.
Fordi alle "observationer" medfører en observatør, må der være en
slags "bevidsthed" i universet. Nogle fysikere, som
Nobelpristageren Eugene Wigner, har insisteret på, at kvanteteorien beviser
eksistensen af en slags universel kosmisk bevidsthed i universet.
Den anden måde at behandle paradokset på foretrækkes
af størstedelen af arbejdende fysikere - at ignorere problemet. De fleste
fysikere peger på, at et kamera uden nogen bevidsthed også kan udføre
målinger og ønsker helt enkelt at dette klæbrige, men uundgåelige, problem
ville forsvinde.
Fysikeren Richard Feynman sagde engang "Jeg tror
det er sikkert at sige, at ingen forstår kvantemekanik. Hvis man kan undgå
det, skal man lade være med hele tiden at sige, 'Men hvordan kan det være
sådan?' fordi man vil gå 'nedenom og hjem', ind i en blindgade, fra hvilken
ingen nogensinde er undsluppet. Ingen ved hvordan det kan være sådan."
Faktisk erklæres det ofte, at den dummeste teori, der er blevet foreslået i
dette århundrede, er kvanteteorien. Nogen siger, at det eneste gode man kan
sige om kvanteteorien er, at den uden tvivl er korrekt.
Der er imidlertid en tredje måde at behandle dette
paradoks på, som kaldes mange-verdener teorien. Denne teori faldt (ligesom
det antropiske princip) i unåde i de foregående årtier, men genoplives af
Hawkings bølgefunktion for universet.
I 1957 rejste fysikeren Hugh Everett den mulighed, at
universet i løbet af sin udvikling fortsat 'deles' som en vejgaffel. I et
univers gik uranatomet ikke i stykker og katten blev ikke skudt. I det andet
gik uranatomet i stykker og katten blev skudt. Hvis Everett har ret er der et
uendeligt antal universer. Hvert univers er forbundet til de andre gennem
netværket af vejgafler. Eller, som den argentinske forfatter Jorge Louis
Borges skrev i The Garden of Forking Paths, "tiden deler sig
evigt mod utallige fremtider".
Fysikeren Bryce DeWitt, en af fortalerne for
mange-verdener teorien, beskriver det varige indtryk den gjorde på ham,
"Enhver kvanteovergang der finder sted på enhver stjerne, i enhver
galakse, i ethvert fjernt hjørne af universet deler vor lokale verden på jorden
til myriader af kopier af sig selv. Jeg husker stadig levende det chok jeg
oplevede, da jeg første gang mødte dette mangeverdensbegreb."
Mange-verdener teorien postulerer, at alle mulige kvanteverdener
findes. I nogle verdener findes mennesker som den dominerende livsform på
jorden. I andre verdener fandt der subatomare begivenheder sted, som
forhindrede mennesker i nogensinde at udvikle sig på denne planet.
Som fysikeren Frank Wilczek noterede.
Det siges at verdenshistorien ville være
helt anderledes, hvis Helen fra Troja havde haft en vorte på spidsen af sin
næse. Godt, vorter kan opstå fra mutationer i enkelte celler, ofte udløst af
udsættelse for solens ultraviolette stråler. Konklusion: der er mange, mange
verdener, i hvilke Helen fra Troja havde en vorte på spidsen af sin næse.
Faktisk er ideen, at der er mangfoldige universer,
gammel. Filosoffen St. Albertus Magnus skrev engang, "Eksisterer der
mange verdener eller er der kun en enkelt verden? Dette er et af de mest ædle
og ophøjede spørgsmål i studiet af naturen." Imidlertid er den nye
bøjning af den gamle ide, at disse mange verdener løser Schrödingers kat
paradokset. I et univers kan katten være død; i et andet er katten levende.
Så mærkelig Everetts mange-verdener teori forekommer,
kan man vise, at den er matematisk ækvivalent til de sædvanlige tolkninger af
kvanteteorien. Men traditionelt har Everetts mange-verdener teori ikke været
populær blandt fysikere. Skønt den ikke kan afvises, er ideen om et uendeligt
antal lige virkelige universer, som hvert deler sig halvt i hvert øjeblik af
tiden, et filosofisk mareridt for fysikere, som elsker enkelhed. Der er et
fysikprincip kaldet Occams ragekniv, som siger, at vi altid skal tage den
enklest mulige sti og ignorere mere klodsede alternativer, især hvis
alternativerne aldrig kan måles. (Således forkaster Occams ragekniv den gamle
"æter" teori, som erklærede at en mystisk gas engang gennemtrængte
hele universet. Æterteorien gav et tilpas svar på et pinligt spørgsmål. Hvis
lys er en bølge og lys kan bevæge sig i et vakuum, hvad er det så der bølger?
Svaret var, at æter, som en væske, vibrerede selv i et vakuum. Einstein
viste, at æteren var unødvendig. Imidlertid sagde han aldrig, at æteren ikke
fandtes. Han sagde bare at den var irrelevant. Således refererer fysikere,
ved Occams ragekniv, ikke til æteren mere.)
Man kan vise, at kommunikation mellem Everetts mange
verdener ikke er mulig. Derfor er hvert univers ikke vidende om eksistensen
af de andre. Hvis eksperimenter ikke kan teste for eksistensen af disse
verdener, burde vi, ved Occams ragekniv, eliminere dem.
Noget i samme retning siger fysikere ikke kategorisk,
at engle og mirakler ikke kan findes. Måske gør de. Men mirakler er, næsten
pr. definition, ikke til at gentage og derfor ikke målelige ved
eksperimenter. Derfor må vi, ved Occams ragekniv, afvise dem (medmindre,
selvfølgelig, vi kan finde et gentageligt, måleligt mirakel eller engel). En
af udviklerne af mange-verdener teorien, Everetts mentor John Wheeler
forkastede den fordi "den krævede for megen metafysisk bagage at bære
rundt."
Mange-verdener teoriens upopularitet kan imidlertid
aftage, når Hawkings bølgefunktion for universet vinder popularitet. Everetts
teori var baseret på enkelte partikler uden mulighed for kommunikation mellem
de forskellige universer, når de delte sig. Skønt Hawkings teori er relateret
går den meget videre: Den er baseret på et uendeligt antal selvstændige
universer (og ikke blot partikler) og postulerer muligheden for tunnelering
(via ormehuller) mellem dem.
Han har endda gennemført den skræmmende opgave at
beregne løsningen til universets bølgefunktion. Han har tillid til, at hans
indgangsvinkel er korrekt, delvist fordi teorien er veldefineret (hvis, som
vi nævnte, teorien defineres i ti dimensioner). Hans mål er nu at vise, at
universets bølgefunktion antager en stor værdi nær et univers, der ligner
vores. Således er vort univers det mest sandsynlige, men bestemt ikke det
eneste.
Indtil nu har der været et antal internationale
konferencer om universets bølgefunktion. Som før er matematikken involveret i
universets bølgefunktion imidlertid hinsides de beregningsmæssige evner hos
noget menneske på denne planet og det kan være vi skal vente år før et
foretagsomt individ kan finde en streng løsning på Hawkings ligninger.
En vigtig forskel mellem Everetts mange-verdener teori og
Hawkings bølgefunktion for universet er, at Hawkings teori placerer
ormehuller, der forbinder disse parallelle universer, i centrum af hans
teori. Der er imidlertid intet behov for at spekulere over om man en dag vil
gå hjem fra arbejde, åbne døren, gå ind i et parallelt univers og opdage, at
ens familie aldrig har hørt om en. I stedet for at fare frem for at møde en
efter en hård dags arbejde, gribes din familie af panik, skriger om en
indtrængende og får en sendt i fængslet for ulovlig indtrængen. Denne slags
scenarium sker kun på fjernsynet eller i biografen. I Hawkings indfaldsvinkel
forbinder ormehuller faktisk konstant vort univers med milliarder og atter
milliarder parallelle universer, men størrelsen af disse ormehuller er i
middel yderst lille, omkring størrelsen af Planck længden (omkring 100
milliarder milliarder gange mindre end en proton, for lille til menneskelig
rejse). Da store kvanteovergange mellem disse universer endvidere er sjældne,
skal vi vente længe, længere end universets levetid, før en sådan begivenhed
finder sted.
Således er det fuldstændig konsistent med fysikkens
love (men yderst usandsynligt) at nogen kan gå ind i et tvillingeunivers,
der er præcist ligesom vort univers bortset fra en lille afgørende forskel,
skabt på et tidspunkt, hvor de to universer delte sig fra hinanden.
Denne type parallel verden blev udforsket af John
Wyndham i fortællingen "Random Quest". Colin Trafford, en britisk
atomfysiker, bliver næsten dræbt i 1954, da et atomeksperiment eksploderer. I
stedet for at ende på hospitalet, vågner han, alene og uskadt, i en fjern del
af London. Han er lettet over, at alt forekommer normalt, men opdager snart,
at noget er meget forkert. Avisoverskrifterne er helt umulige. Anden
verdenskrig fandt aldrig sted. Atombomben blev aldrig opdaget.
Verdenshistorien er blevet vredet. Endvidere kaster
han et blik på en hylde i en forretning og bemærker sit eget navn, med et
billede, som forfatter af en bestseller. Han er chokeret. Der findes en
eksakt kopi af ham selv i denne parallelle verden som forfatter i stedet for
atomfysiker.
Drømmer han alt dette? For år siden tænkte han på at
blive skribent, men i stedet valgte han at blive atomfysiker. Tilsyneladende
blev anderledes valg truffet i fortiden i dette parallelle univers.
Trafford gennemser Londons telefonbog og finder sit
navn opført, men adressen er forkert. Rystende beslutter han at besøge
"sit" hjem.
Da han træder ind i sin lejlighed er han chokeret
over at møde "sin" hustru - en han aldrig har set før - en smuk
kvinde, som er bitter og vred over "hans" talrige affærer med andre
kvinder. Hun laster ham for "hans" udenægteskabelige
indiskretioner, men hun bemærker at hendes ægtemand forekommer forvirret.
Trafford finder ud af, at hans modpart er en tarvelig fyr og en
kvindebedårer. Han finder det imidlertid vanskeligt at diskutere med en smuk
fremmed, han aldrig har set før, selv om hun tilfældigvis er "hans"
hustru. Tilsyneladende har han og hans modpart byttet universer.
Han oplever gradvist, at han bliver forelsket i
"sin" egen hustru. Han kan ikke forstå, hvordan hans modpart
nogensinde kunne have behandlet sin smukke hustru på så forkastelig en måde.
De næste få uger er de bedste de har tilbragt sammen i deres liv. Han
beslutter sig for at omgøre al den skade hans modpart nedkaldte over sin
hustru i årenes løb. Så, ligesom de to opdager hinanden, rykkes han pludselig
tilbage i sit eget univers og efterlader "sin" kærlighed tilbage.
Kastet tilbage i sit univers mod sin vilje påbegynder han en afsindig
undersøgelse for at finde "sin" hustru. Han har opdaget at de
fleste, men ikke alle, folk i hans univers har en modpart i det andet. Det er
sikkert, ræsonnerer han, at "hans" hustru må have en modpart i hans
egen verden.
Han bliver besat og eftersporer alle de spor, som han
husker fra tvillingeuniverset. Ved at bruge al sin viden om historie og fysik
konkluderer han at de to verdener skilte sig fra hinanden på grund af en
fysisk begivenhed i 1926 eller 1927. En enkelt begivenhed, slutter han, må
have spaltet de to universer fra hinanden.
Så sporer han omhyggeligt fødsels- og
dødsoptegnelserne for adskillige familier. Han bruger sin resterende opsparing
på at interviewe snesevis af folk indtil han placerer "sin" hustrus
familietræ. Med tiden lykkes det ham at spore "sin" hustru i sit
eget univers. I slutningen gifter han sig med hende.
En Harvard fysiker, som er sprunget ind i slagsmålet
vedrørende ormehuller er Sidney Coleman. Han, der minder om en krydsning af
Woody Allen og Albert Einstein, sjokker gennem Jefferson Halls korridorer og
prøver at overbevise skeptikere om sin seneste teori om ormehuller. Med sin
chaplinagtige moustache, håret strøget tilbage som Einsteins og hans for
store sweatshirt, gør Coleman sig bemærket i enhver folkemængde. Nu hævder
han at have løst det fejrede problem med den kosmologiske konstant, som har
forvirret fysikere de sidste 80 år.
Hans arbejde kom endda på forsiden af Discover
Magazine med en artikel benævnt "Parallelle universer: Den ny
virkelighed - Fra Harvards vildeste fysiker." Han er også vild med
science fiction; som alvorlig science fiction fan medgrundlagde han Advent Publishers,
som udgav bøger om science fiction anmeldelser.
For tiden engagerer Coleman sig kraftigt med
kritikerne som siger, at forskerne ikke vil være i stand til at verificere
ormehulteorierne i vores livstid. Hvis vi tror på Thornes ormehuller, så må
vi vente indtil nogen opdager eksotisk stof eller behersker Casimir
virkningen. Indtil da har vore tidsmaskiner ingen "motor", som er i
stand til at skyde os ind i fortiden. På samme måde hvis vi tror på Hawkings
ormehuller, så må vi rejse i "imaginær tid" for at rejse mellem
ormehuller. På begge måder er det en sørgelig tingenes tilstand for den
teoretiske fysiker, der føler sig frustreret af det tyvende århundredes
mangelfulde, svage teknologi og som kun kan drømme om at beherske Planck
energien.
Det er her Colemans arbejde kommer ind. Han hævdede
fornylig, at ormehullerne kunne give et meget håndgribeligt, meget måleligt
resultat i nutiden og ikke i en fjern, uforudsigelig fremtid. Som vi
tidligere pegede på, erklærer Einsteins ligninger at stof-energi indholdet i
en genstand bestemmer krumningen af rumtiden, der omgiver den. Einstein
spekulerede på om den rene vakuum energi i det tomme rum kunne indeholde
energi. Er ren tomhed tom for energi? Denne vakuumenergi måles ved noget, der
kaldes den kosmologiske konstant; i princippet er der intet der
hindrer at en kosmologisk konstant dukker op i ligningerne. Einstein troede
hans term var æstetisk grim, men han kunne ikke afvise den af fysiske eller
matematiske grunde.
I 1920'erne, da Einstein prøvede at løse sine
ligninger for universet, fandt han til sin ærgrelse, at universet udvidede
sig. Tilbage dengang var den fremherskende visdom, at universet var statisk
og uforanderligt. For at få sine ligninger til at forhindre universets
udvidelse indsatte Einstein en lille kosmologisk konstant i sin løsning,
valgt så den lige ville udbalancere udvidelsen og give et statisk univers
efter ordre. I 1929, da Hubble endeligt beviste at universet virkelig udvider
sig, forviste Einstein den kosmologiske konstant og sagde den var den
"største fejltagelse i mit liv."
I dag ved vi, at den kosmologiske konstant er meget
tæt på nul. Hvis der var en lille negativ kosmologisk konstant, så ville
gravitationen være kraftigt tiltrækkende og hele universet kunne være nogle
få meter i tværsnit. (Ved at række ud med hånden skulle man kunne gribe
personen foran, som ville være en selv.) Hvis der var en lille positiv
kosmologisk konstant, så ville gravitationen være frastødende og alt ville
flyve væk fra en så hurtigt, at deres lys aldrig ville nå dig. Da ingen af
disse mareridt scenarier forekommer, er vi sikre på at den kosmologiske
konstant er yderst lille eller endda nul.
Men dette problem dukkede op igen i 1970'erne, da
symmetribrud blev intensivt studeret i Standard Modellen og GUT teori. Når en
symmetri brydes afsættes en stor mængde energi i vakuumet. Faktisk er mængden
af energi, der flyder ind i vakuumet 10100 gange større end den
eksperimentelt observerede mængde. I hele fysikken er denne uoverensstemmelse
på 10100 uden tvivl den største. Ingen steder i fysikken ser vi en
sådan forskel mellem teorien (som forudsiger en stor vakuumenergi, når en
symmetri brydes) og eksperimenter (som måler nul kosmologisk konstant i
universet). Det er her Colemans ormehuller kommer ind; de behøves for at
udligne de uønskede bidrag til den kosmologiske konstant.
Ifølge Hawking kan der være et uendeligt antal
alternative universer, der sameksisterer med vores, som alle er forbundet af
et uendeligt net af forbundne ormehuller. Coleman prøvede at addere hele
bidraget fra denne uendelige serie. Efter summen var udført fandt han et
forbavsende resultat: Universets bølgefunktion foretrækker at have nul
kosmologisk konstant, som ønsket. Hvis den kosmologiske konstant var nul,
blev bølgefunktionen yderst stor, hvilket betyder at der var en høj
sandsynlighed for at finde et univers med nul kosmologisk konstant. Desuden
forsvandt universets bølgefunktion hurtigt, hvis den kosmologiske konstant
ikke var nul, hvilket betyder at der var nul sandsynlighed for det uønskede
univers. Dette var nøjagtigt, hvad der behøvedes for at udligne den
kosmologiske konstant. Med andre ord var den kosmologiske konstant nul, fordi
det var det mest sandsynlige resultat. Den eneste virkning af at have
milliarder og milliarder af parallelle universer var at holde den
kosmologiske konstant på nul i vort univers.
Fordi dette var så vigtigt et resultat, begyndte
fysikere omgående at springe ind i feltet. "Da Sidney kom frem med dette
arbejde, hoppede alle." husker Stanford fysikeren Leonard Susskind. På
sin typiske facon offentliggjorde Coleman dette potentielt vigtige resultat
med en smule humor. "Det er altid muligt, at jeg uvidende står op til
halsen i kviksand og synker hurtigt," skrev han.
Coleman kan lide at gøre levende indtryk på sit
publikum med betydningen af dette problem, at chancerne for at udligne en
kosmologisk konstant til en del ud af 10100 er fantastisk lille.
"Forestil jer, at man over en ti års periode bruger millioner af dollars
uden at se på ens løn og når man endelig sammenligner det man tjener med hvad
man brugte, udbalancerer de hinanden ned til sidste øre," bemærker han.
Således er hans beregning, der viser at man kan udligne den kosmologiske
konstant til en del ud af 10100, et yderst spektakulært resultat.
For at lægge glasur på kagen understreger Coleman, at disse ormehuller også
løser et andet problem: De hjælper med at bestemme værdierne af de universets
fundamentale konstanter. Coleman tilføjer, "Det var en fuldstændig
anderledes mekanisme end nogen havde overvejet. Det var Batman, der svingede
i rebet."
Men der begyndte også at dukke kritik op; den mest
vedholdende kritik var, at han antog at ormehullerne var små, i størrelse med
Planck længden, og at han glemte at summere over store ormehuller. Ifølge
kritikerne burde store ormehuller også inkluderes i hans sum. Men da vi ikke
ser store, synlige ormehuller nogen steder, forekommer det, at hans
beregninger har en fatal fejl.
Uantastet af denne kritik skød Coleman tilbage på sin
sædvanlige måde: han valgte oprørende titler til sine papirer. For at bevise
at store ormehuller kan ignoreres i hans beregning, skrev han et svar til
sine kritikere med titlen "Flugten fra de gigantiske ormehullers
trussel." Da han blev spurgt om sine titler, svarede han, "Hvis
Nobelpriser blev givet for titler, ville jeg allerede have modtaget
min."
Hvis Colemans rent matematiske argumenter er
korrekte, vil de give hårde eksperimentelle vidnesbyrd om at ormehuller er en
essentiel egenskab ved alle fysiske processer og ikke bare en drøm. Det ville
betyde, at ormehuller, der forbinder vort univers med et uendeligt antal døde
universer, er essentielle i at forhindre vort univers i at folde sig selv op
i en lille tæt bold eller fra at eksplodere udaf med fantastisk hastighed.
Det ville betyde, at ormehuller er den essentielle egenskab, der gør vort
univers relativt stabilt.
Men som med de fleste udviklinger, der sker på Planck
længden, vil den endelige løsning på disse ormehulligninger skulle vente,
indtil vi har en bedre forståelse af kvantegravitation. Mange af Colemans
ligninger kræver en måde at eliminere uendelighederne som er fælles for alle
teorier om kvantegravitation og det betyder anvendelse af superstreng teori.
Især kan vi blive nødt til at vente indtil vi med sikkerhed kan beregne
endelige kvantekorrektioner til hans teori. Mange af disse mærkelige
forudsigelse må vente indtil vi kan skærpe vore beregningsmæssige redskaber.
Som vi har understreget er problemet hovedsageligt
teoretisk. Vi har simpelthen ikke den matematisk hjernekraft til at bryde
disse veldefinerede opgaver. Ligningerne stirrer på os fra tavlen men vi er
hjælpeløse i at finde stramme, endelige løsninger på dem i øjeblikket. Når
fysikerne engang får en bedre forståelse af fysikken ved Planck energien, så
vil et helt nyt univers af muligheder åbne sig. Enhver, eller enhver
civilisation, der virkelig behersker energien fundet ved Planck længden, vil
blive herre over alle fundamentale kræfter.
Oversat fra Colliding Universes, Hyperspace, Michio Kaku, Oxford
University Press, New York 1994, pp. 252-269.
17. februar, 2006.
Indhold
Det antropiske princip
Index
|