Universet i en nøddeskal

Universet har mangfoldige historier, som hver bestemmes af en lille nød.

Stephen W. Hawking

Jeg kunne være afgrænset i en nøddeskal
og regne mig selv for en konge af det uendelige rum

- Shakespeare
Hamlet, Akt 2, Scene 2

Hamlet kan have ment, at selv om vi menneskelige væsener fysisk er meget begrænsede, er vore sind fri til at udforske hele universet og dristigt rejse, hvor selv Star Trek frygter at træde - hvis de onde drømme tillader.
    Er universet virkelig uendeligt eller blot meget stort? Og varer det evigt eller har det blot et langt liv? Er det ikke overmodigt af os blot at forsøge? Risikerer vi Prometheus skæbne, som i den klassiske mytologi stjal ild fra Zeus til brug for menneskelige væsener og blev straffet for sin dumdristighed ved at blive lænket til en klippe, hvor en ørn hakkede i hans lever?
    Til trods for denne advarende fortælling tror jeg, vi kan og bør prøve at forstå universet. Vi har allerede gjort bemærkelsesværdige fremskridt i at forstå kosmos, især i de sidste få år. Vi har endnu ikke et fuldstændigt billede, men det behøver ikke vare længe.
    Det mest indlysende ved rummet er, at det fortsætter og fortsætter og fortsætter. Dette er blevet bekræftet af moderne instrumenter som Hubble teleskopet, der lader os se dybt ind i rummet. Det vi ser er milliarder og milliarder af galakser af forskellige former og størrelser. Hver galakse indeholder utalte milliarder af stjerner, hvoraf mange har planeter omkring sig. Vi bor på en planet, der kredser om en stjerne i en ydre gren af spiralen Mælkevejsgalaksen. Støvet i spiralarmene blokerer vor udsigt til universet i galaksens plan, men vi har en klar synslinie i kegler af retninger på hver side af planen og vi kan plotte fjerne galaksers positioner. Vi finder, at galakserne er fordelt nogenlunde jævnt gennem rummet, med nogle lokale koncentrationer og tomrum. Galaksernes tæthed synes at falde på meget store afstande, men det forekommer at være, fordi de er så langt væk og vi har svært ved at se dem. Så vidt vi kan afgøre synes universet at fortsætte i rummet for evigt.
    Skønt universet synes at være næsten ens på hver position i rummet, ændrer det sig afgjort med tiden. Dette blev ikke erkendt før de tidlige år i det tyvende århundrede. Op til da mente man, at universet var essentielt konstant med tiden. Det kunne have eksisteret i uendelig tid, men det forekom at føre til absurde konklusioner. Hvis stjerner havde strålet i uendelig tid, ville de have varmet universet op til deres temperatur. Selv om natten ville himlen være lige så lys som solen, fordi hver synslinie ville ende på en stjerne eller en støvsky, som var blevet varmet op, indtil den var lige så varm som stjernerne.
    Observationen, som vi alle har gjort, at himlen om natten er mørk, er meget vigtig. Det betyder, at universet ikke kan have eksisteret for evigt i den tilstand, vi ser i dag. Der må være sket noget i fortiden, som har fået stjernerne til at tænde for en endelig tid siden, hvilket betyder, at lys fra meget fjerne stjerner ikke har haft tid til at nå os endnu. Dette ville forklare, hvorfor himlen om natten ikke gløder i alle retninger.
    Hvis stjernerne blot havde siddet der for evigt, hvorfor tændtes de så pludselig for nogle få milliarder år siden? Hvad var det for et ur, der fortalte dem, at det var tid til at skinne? Som vi har set undrede det de filosoffer, som Immanuel Kant, der troede at universet havde eksisteret for evigt. Men for de fleste var det konsistent med ideen om, at universet var blevet skabt, næsten som det er nu, for kun nogle få tusinde år siden.
    Imidlertid begyndte der at dukke uoverensstemmelser op med observationerne af Vesto Slipher og Edwin Hubble i det tyvende århundredes andet årti. I 1923 opdagede Hubble, at mange svage lyspletter, kaldet tåger, faktisk var andre galakser, store samlinger af stjerner som vor sol men på stor afstand. For at de kunne se så små og fjerne ud, måtte afstandene være så store, at lyset fra dem ville have taget millioner eller selv milliarder år om at nå os. Dette viste, at universets begyndelse ikke kunne have været for blot nogle få tusinde år siden.
    Men den anden ting, Hubble opdagede, var endnu mere bemærkelsesværdig. Astronomer havde lært, at man, ved at analysere lyset fra andre galakser, kunne måle, om de bevæger sig mod os eller bort fra os. Til deres store overraskelse havde de fundet, at næsten alle galakser bevæger sig væk. Det var Hubble, som erkendte de dramatiske betydninger af denne opdagelse: på den store skala bevæger enhver galakse sig væk fra enhver anden galakse. Universet udvider sig.
    Opdagelsen af universets udvidelse var en af de store intellektuelle revolutioner i det tyvende århundrede. Den kom som en total overraskelse og den ændrede fuldstændig diskussionen om universets oprindelse. Hvis galakserne fjerner sig fra hinanden, må de have været tættere sammen i fortiden. Fra den nuværende udvidelseshastighed kan vi estimere, at de for ti til femten milliarder år siden må have været virkelig tæt sammen. Roger Penrose og jeg kunne vise, at Einsteins relativitetsteori medførte, at universet og selve tiden må have haft sine begyndelser i en enorm eksplosion. Her var forklaringen på, hvorfor nattehimlen er mørk: ingen stjerne kunne have skinnet længere end ti til femten milliarder år, tiden siden big bang.
    Vi er vant til ideen, at begivenheder forårsages af tidligere begivenheder, som igen forårsages af endnu tidligere begivenheder. Der er en kæde af kausalitet, som strækker sig tilbage i fortiden. Men antag, at denne kæde har en begyndelse. Antag, at der var en første begivenhed. Hvad forårsagede den? Dette var ikke et spørgsmål, som mange videnskabsfolk ønskede at beskæftige sig med. De prøvede at undgå det ved, som russerne, at hævde, at universet ikke havde en begyndelse eller ved at fastholde, at universets oprindelse ikke lå inden for videnskabens område, men tilhørte metafysik eller religion. Efter min mening er det ikke en indstilling en sand forsker burde indtage. Hvis videnskabens love ophæves ved universets begyndelse, kunne de så ikke også fejle på andre tidspunkter? En lov er ikke en lov, hvis den kun gælder sommetider. Vi må prøve at forstå universets begyndelse på baggrund af videnskaben. Det kan være en opgave som overstiger vore kræfter, men vi bør i det mindste forsøge.
    Mens de teoremer, som Penrose og jeg beviste, viste, at universet må have haft en begyndelse, gav de ikke megen information om den begyndelses natur. De viste, at universet begyndte i et big bang, et punkt, hvor hele universet og alt i det var knast sammen i et enkelt punkt med uendelig tæthed. På dette punkt ville Einsteins almene relativitetsteori være brudt sammen, så den ikke kunne bruges til at forudsige, på hvilken måde universet begyndte. Man efterlades med, at universets oprindelse tilsyneladende er hinsides videnskabens horisont.
    Dette var ikke en konklusion, som forskerne burde være tilfredse med. Grunden til at almen relativitet brød sammen nær big bang er, at den ikke indeholdt ubestemthedsprincippet, det tilfældige element i kvanteteorien som Einstein havde protesteret imod af den grund, at Gud ikke spiller terninger. Imidlertid peger alle vidnesbyrd på, at Gud er noget af en spillernatur. Man kan forestille sig universet som værende et gigantisk kasino, med terninger, der bliver kastet eller hjul, der bliver drejet ved enhver lejlighed. Man kunne tro, at det, at drive et kasino, er en meget chancebetonet forretning, fordi man risikerer at miste penge, hver gang terningerne kastes eller et hjul drejes. Men over et stort antal satsninger midler tabene og gevinsterne til et resultat, som kan forudsiges, selv om hver enkelt satsnings resultat ikke kan forudsiges. Kasinoejerne sørger for at være sikre på, at odds midler ud til deres fordel. Det er derfor kasinoejere er så rige. Den eneste chance man har for at vinde mod dem er at sætte alle sine penge på nogle få terningekast eller spin af hjulene.
    Det er det samme med universet. Når universet er stort, som det er i dag, er der et meget stort antal kast af terninger og resultaterne midler til noget man kan forudsige. Det er derfor, de klassiske love virker for store systemer. Men når universet er meget lille, som det var nær tiden for big bang, er der kun et lille antal terningekast og ubestemthedsprincippet er meget vigtigt.
    Fordi universet bliver ved med at kaste terninger for at se, hvad der sker herefter, har det ikke blot en enkelt historie, som man kunne have troet. I stedet må universet have enhver mulig historie, som hver har sin egen sandsynlighed. Der må være en historie for universet, i hvilken Belize vandt alle guldmedaljer ved Olympiaden, skønt sandsynligheden måske er lav.
    Ideen, at universet har mangfoldige historier kan lyde som science fiction, men den accepteres nu som science fact. Den blev formuleret af Richard Feynman, som både var en stor fysiker og noget af en personlighed.
    Vi arbejder nu på at forene Einsteins almene relativitetsteori og Feynmans ide om mangfoldige historier til en komplet forenet teori, der vil beskrive alt, hvad der sker i universet. Denne forenede teori vil sætte os i stand til at beregne, hvordan universet vil udvikle sig, hvis vi ved, hvordan historierne begyndte. Men den forenede teori vil ikke i sig selv fortælle, hvordan universet begyndte eller hvad dets begyndelsestilstand var. Til det behøver vi det, der kaldes randbetingelser, regler, der fortæller os, hvad der sker på universets fronter, rummets og tidens kanter.
    Hvis universets front blot var et normalt punkt i rum og tid, kunne vi gå forbi det og indtage territoriet hinsides som del af universet. Hvis, på den anden side, universets rand var ved en takket kant, hvor rummet og tiden var knast sammen og tætheden var uendelig, ville det være meget vanskeligt at definere randbetingelser.
    En kollega ved navn Jim Hartle og jeg erkendte imidlertid, at der var en tredje mulighed. Måske har universet ingen rand i rummet og tiden. Ved første øjekast forekommer det at være i direkte modstrid med de teoremer, som Penrose og jeg beviste, der viste, at universet må have haft en begyndelse, en rand i tiden. Der er imidlertid en anden slags tid, kaldet imaginær tid, som ligger i rette vinkler på den almindelige reale tid, som vi føler gå forbi. Universets historie i realtid bestemmer dets historie i imaginær tid og vice versa, men de to slags historie kan være meget forskellige. Især behøver universet ikke have nogen begyndelse eller slutning i imaginær tid. Imaginær tid opfører sig ligesom en anden retning i rummet. Således kan man forestille sig universets historier i imaginær tid som krumme overflader, som en bold, en plan, eller en saddelform, men med fire dimensioner i stedet for to.
    Hvis universets historier gik ud i uendeligheden, som en saddel eller en plan, ville man have problemet med at angive, hvad randbetingelserne var i det uendelige. Men man kan undgå at skulle angive randbetingelser, hvis alle universets historier i imaginær tid er lukkede overflader, som Jordens overflade. Jordens overflade har ingen rande eller kanter. Der er ingen pålidelige rapporter om folk, der falder af.
    Hvis universets historier i imaginær tid virkelig er lukkede overflader, som Hartle og jeg foreslog, ville det have fundamentale betydninger for filosofien og vort billede af hvor vi kom fra. Universet ville være helt indesluttet, det ville ikke behøve noget udvendigt til at trække urværket op og sætte det i gang. I stedet ville alt i universet blive bestemt af videnskabens love og kast af terningerne inde i universet. Dette kan lyde overmodigt, men det er, hvad jeg og mange andre videnskabsfolk tror.
    Selv hvis universets randbetingelse er, at det ikke har nogen rand, vil det ikke have kun én historie. Det vil have en mangfoldighed af historier, som foreslået af Feynman. Der vil være en historie i imaginær tid svarende til hver mulig lukket overflade og hver historie i imaginær tid vil bestemme en historie i real tid. Således har vi en superoverflod af muligheder for universet. Hvad udvælger det særlige univers, vi lever i, ud fra sættet af alle mulige universer? Et punkt vi kan lægge mærke til er, at mange af universets mulige historier ikke vil gå gennem rækkefølgen med at danne galakser og stjerner, som var essentiel for vor egen udvikling. Selv om det godt kan være, at intelligente væsener kan udvikles uden galakser og stjerner, forekommer det usandsynligt.
    Således er selve den kendsgerning at vi eksisterer som væsener, der kan stille spørgsmålet "Hvorfor er universet på den måde det er?" en begrænsning på den historie vi lever i. Det medfører, at det er en ud af et mindretal af historier, der har galakser og stjerner. Dette er et eksempel på det, der kaldes det antropiske princip. Det antropiske princip siger, at universet er nødt til at være mere eller mindre, som vi ser det, for hvis det var anderledes, ville der ikke være nogen her til at observere det. Mange forskere bryder sig ikke om det antropiske princip, fordi det forekommer temmelig vagt og ikke synes at have megen forudsigelseskraft. Men det antropiske princip kan gives en præcis formulering og det forekommer at være essentielt, når man beskæftiger sig med universets oprindelse. M-teori tillader et meget stort antal mulige historier for universet. De fleste af disse historier er ikke passende for udviklingen af intelligent liv, enten er de tomme, varer for kort tid, er krummede for meget eller forkerte på en anden måde. Men ifølge Richard Feynmans ide om mangfoldige historier kan de dog have en temmelig høj sandsynlighed.
    Faktisk er det ligegyldigt, hvor mange historier der kan være, som ikke indeholder intelligente skabninger. Vi er kun interesseret i det undersæt af historier, i hvilke intelligent liv udvikler sig. Dette intelligente liv behøver ikke være noget som mennesker. Små grønne fremmede ville være lige så gode. Faktisk kunne de klare sig meget bedre. Den menneskelige race har ikke særlig gode optegnelser om intelligent adfærd.
    Som et eksempel på det antropiske princips magt, overvej antallet af retninger i rummet. Det er et spørgsmål om almen erfaring, at vi bor i det tredimensionale rum. Dvs., at vi kan repræsentere positionen af et punkt i rummet ved tre tal, f.eks. bredde, længde og højden over havet. Men hvorfor er rummet tredimensionalt? Hvorfor er det ikke to, eller fire, eller et andet antal dimensioner, som i science fiction? I M-teori har rummet ni eller ti dimensioner, men man mener, at seks eller syv af dimensionerne er krøllet meget småt sammen efterladende tre dimensioner, som er store og næsten flade.
    Hvorfor lever vi ikke i en historie, i hvilken otte af dimensionerne er krøllet sammen småt og som kun efterlader to dimensioner som vi lægger mærke til? Et todimensionalt dyr ville have svært ved at fordøje mad. Hvis det havde en tarm, der gik lige gennem det, ville den dele dyret i to og det stakkels dyr ville falde fra hinanden. Så to flade retninger er ikke nok til noget så kompliceret som intelligent liv. Hvis der på den anden side var fire eller flere flade retninger, ville tyngdekraften mellem to legemer stige hurtigere, når de nærmede sig hinanden. Dette ville betyde, at planeterne ikke ville have stabile baner om deres sole. De ville enten falde ind i solen eller undslippe til det ydre mørke og kulden.
    På samme måde ville elektroners bane i atomerne ikke være stabile, så stof, som vi kender det, ville ikke eksistere. Skønt ideen om mangfoldige historier således tillader ethvert antal næsten flade retninger, vil kun historier med tre flade retninger indeholde intelligente skabninger. Kun i sådanne historier vil spørgsmålet blive stillet, "Hvorfor har rummet tre dimensioner?"
    Den enkleste historie i imaginær tid er en rund kugle, som Jordens overflade, men med to yderligere dimensioner. Den bestemmer historien for universet i real tiden, som vi oplever, i hvilken universet er det samme på ethvert punkt i rummet og udvider sig med tiden. I disse henseender er det som det univers, vi lever i. Men udvidelseshastigheden er meget hurtig og den bliver ved at stige. Sådan accelererende udvidelse kaldes inflation, fordi den er som den måde, hvorpå priserne går op og op med stadig stigende hastighed.
    Inflation i priserne regnes generelt for at være en dårlig ting, men i universets tilfælde er inflation meget fordelagtig. Den store mængde udvidelse udglatter klumper og buler, der kan have været i det tidlige univers. Efterhånden som universet udvider sig, låner det energi fra gravitationsfeltet for at skabe mere stof. Den positive stof energi udbalanceres nøjagtigt af den negative gravitationsenergi, så den totale energi er nul. Når universet fordobler sin størrelse fordobles både stof- og gravitationsenergien - så to gange nul stadig er nul. Hvis bare bankverdenen var så enkel.
    Hvis universets historie i imaginær tid var en perfekt rund kugle, ville den tilsvarende historie i real tid være et univers, der fortsatte med at udvide sig på en inflatorisk måde for evigt. Mens universet inflaterer kunne stof ikke falde sammen og danne galakser og stjerner og livet, for ikke at tale om intelligent liv som os, kunne ikke udvikle sig. Så skønt historier for universet i imaginær tid, der er perfekt runde kugler, tillades af ideen om mangfoldige historier, er de ikke af megen interesse. Historier i imaginær tid, der er ganske lidt flade ved kuglernes sydpol, er imidlertid meget mere relevante.
    I dette tilfælde vil den tilsvarende historie i real tid udvide sig på en accelereret, inflatorisk måde i begyndelsen. Men så vil udvidelsen begynde at gå langsommere og galakserne kan dannes. For at intelligent liv kan dannes skal udfladningen ved sydpolen være meget lille. Dette betyder at universet i begyndelsen vil udvide sig enormt. Pengeinflationens rekordniveau fandt sted i Tyskland mellem verdenskrigene, da priserne steg milliarder af gange - men den mængde inflation, der må have fundet sted i universet er mindst en milliard milliard milliard milliard gange så stor.
    På grund af ubestemthedsprincippet vil der ikke kun være en historie for universet, der indeholder intelligent liv. I stedet vil historierne i imaginær tid være en hel familie af let deforme kugler, som hver svarer til en historie i real tid, i hvilken universet inflaterer i lang tid, men ikke uendeligt. Vi kan så spørge, hvilke af disse tilladte historier der er mest sandsynlige. Det viser sig, at de mest sandsynlige historier ikke er fuldstændig glatte men har små bakker og dale. Krusningerne på de mest sandsynlige er virkelig små. Afvigelsen fra glathed er i størrelsesordenen en del ud af hundredetusinde. Selv om de er meget små, er det lykkedes os at observere dem som små variationer i de mikrobølger, der kommer til os fra forskellige retninger i rummet. Cosmic Background Observer satellitten blev opsendt i 1989 og lavede et kort over himlen i mikrobølger.

    De forskellige farver viser forskellige temperaturer, men hele området fra rød til blå er kun omkring en tusindedel af en grad. Alligevel er dette nok variation mellem forskellige dele af det tidlige univers til, at den ekstra gravitation i de tættere områder kan stoppe deres udvidelse med tiden og få dem til at kollapse igen under deres egen gravitation og danne galakser og stjerner. Så er COBE kortet, i det mindste i princippet, blåtrykket til alle strukturer i universet.
    Hvad vil den fremtidige adfærd være for de mest sandsynlige historier for universet, som er kompatible med fremkomsten af intelligente skabninger? Der synes at være forskellige muligheder, afhængigt af mængden af stof i universet. Hvis der er mere end en vis kritisk mængde, vil gravitationstiltrækningen mellem galakser sænke deres vigehastighed og til slut stoppe deres flugt fra hinanden. De vil så begynde at falde mod hinanden og vil alle komme sammen i et stort knas (big crunch), som vil være slutningen på universets historie i real tid.
    Hvis universets tæthed er under den kritiske værdi, er gravitationen for svag til at stoppe galaksernes flugt fra hinanden for evigt. Alle stjernerne vil brænde ud og universet vil blive mere og mere tomt og koldere. Så vil tingene endnu en gang komme til en slutning, men på en mindre dramatisk måde. I begge tilfælde vil universet vare nogle få milliarder år mere.
    Foruden stoffet kan universet indeholde det vi kalder "vakuum energi," energi, som er til stede selv i det tilsyneladende tomme rum. Ved Einsteins berømte ligning, E = mc², har denne vakuum energi masse. Dette betyder, at den har en gravitationsvirkning på universets udvidelse. Men bemærkelsesværdigt nok er vakuum energiens virkning den omvendte af stofs. Stof forårsager at udvidelsen går langsommere og kan med tiden standse eller vende den. På den anden side forårsager vakuum energien, at udvidelsen accelererer, som i inflation. Faktisk virker vakuum energien ligesom Einsteins kosmologiske konstant, den han tilføjede sine oprindelige ligninger i 1917, da han erkendte, at de ikke tillod en løsning, der repræsenterede et statisk univers. Efter Hubbles opdagelse af universets udvidelse forsvandt denne motivation for at tilføje en term til ligningerne og Einstein forkastede den kosmologiske konstant som en fejltagelse.
    Men det var måske slet ikke nogen fejltagelse. Vi erkender nu, at kvanteteorien betyder, at rumtiden er fyldt med kvantefluktuationer. I en supersymmetrisk teori udbalanceres de uendelige positive og negative energier i disse grundtilstandsfluktuationer mellem partikler af forskelligt spin. Men vi ville ikke forvente, at de positive og negative energier udlignes så fuldstændigt, at der ikke var en lille endelig mængde vakuum energi tilbage, fordi universet ikke er i en supersymmetrisk tilstand. Den eneste overraskelse er, at vakuum energien er så nær nul, at den ikke var indlysende for længe siden. Måske er dette endnu et eksempel på det antropiske princip. En historie med en større vakuum energi ville ikke have dannet galakser og ville ikke indeholde skabninger, som kunne stille spørgsmålet: "Hvorfor har vakuum energien den værdi vi måler?"
    Vi kan prøve at bestemme mængderne af stof og vakuum energi i universet ud fra forskellige observationer. Vi kan vise resultaterne i et diagram, i hvilket stoftætheden er den horisontale retning og vakuum energien er den lodrette retning. Den prikkede linie viser grænsen for området i hvilket intelligent liv kunne udvikle sig.
    Observationer af supernovaer, hobdannelse og mikrobølge baggrunden afmærker hver områder i dette diagram. Heldigvis har alle tre områder et fælles skæringspunkt. Hvis stoftætheden og vakuum energien ligger i dette skæringspunkt, betyder det, at udvidelsen af universet er begyndt at sætte farten op igen, efter en lang periode med faldende hastighed. Det forekommer, at inflation er en naturlov.
    I dette kapitel har vi set, hvordan det enorme univers' adfærd kan forstås ved hjælp af dets historie i imaginær tid, som er en lille, lidt flad kugle. Den er som Hamlets nøddeskal, dog koder denne nød alt, hvad der sker i real tid. Så Hamlet havde helt ret. Vi kunne være afgrænsede i en nøddeskal og regne os selv for konger af det uendelige rum.

Fra The Universe in a Nutshell, Bantam Press, 2001.

28. februar, 2006.

Brane ny verden
Sorte hullers kvantemekanik
Er alting fastlagt?
Liv i universet
Det antropiske princip
Index