Varde big bang

LJUSET

nom astronomin resoneras sedan Einstein i synnerhet om ljusets hastighet som en konstant. Frågan är hur mycket som skulle återstå av modern kosmologi, om man tvingades uppge ljushastighetens konstanta värde.

     Det mest storslagna ögonblicket i bibelns skapelse kommer när Gud säger: "Varde ljus!" Ett ljus som trotsar mörkret och gör livet såväl möjligt som drägligt. Hoppets ljus, den andliga höjdens ljus. I mången mytologi har ljuset lika upphöjd plats som hos bibeln och hos den kristna åskådningen. Att Einstein finner i just ljuset ett slags nyckel eller fundament för hela kosmos, rimmar väl med forna föreställningar.

     Ljusets hastighet utgör i dubbel mening något absolut - dels är den konstant, med sina 299.792.458 meter per sekund i vakuum (i andra media ändras hastigheten, till exempel minskas den i luft med 65 km/s), och dels är den som hastighet omöjlig att överträffa i kosmos. Inget annat än ljus kan färdas med denna hastighet.

     Ljuset höga men begränsade hastighet konstaterades redan 1676, av den danske astronomen Roemer, med hjälp av variationen i Jupiters förmörkelse av sina månar. Han beräknade ljushastigheten till 225.000 kilometer per sekund, vilket är imponerande nära vår tids värde.

     Den speciella relativitetsteorin, som med sin allom bekanta formel E = mc² säger att energi och massa kan övergå i varandra, leder till att ett föremål som närmade sig ljushastigheten skulle vidga sin massa oändligt. När ett föremål ökar sin hastighet, ökas dess rörelseenergi. Eftersom energi och massa följs åt, enligt Einsteins formel, måste då även massan öka. Det sker i enlighet med en formel som är identisk med tidsdilationens, där dock m₀ är massan vid samma hastighet som observatörens och m vid hastighetsskillnaden v:

     När hastigheten går mot ljusets, kommer bråkets nämnare allt närmare 0 och massan växer i det oändliga. Ljuset, som onekligen färdas i denna hastighet, kan alltså inte innehålla någon massa. Det beskrivs därför som en vågrörelse.

     Här infinner sig dock en besvärande paradox, eftersom ljuset å andra sidan påverkas av gravitation, vilket bör vara förbehållet massa. Till exempel böjs ljusstrålar av när de passerar en stor himlakropp. I detta sammanhang beskrivs därför ljuset som en form av partikel.

     Ljuset är summa summarum ett märkligt fenomen - med oö verträffad och konstant hastighet, där rummet krympt till ett intet och tiden inte går. Ljusets paradoxala situation är sådan, att det inte kan ändra sin belägenhet på något sätt. Det befinner sig ensamt i detta intet, evigt eftersom det inte åldras.

     Ljushastigheten är ett gränsvärde på många sätt. Inte ens om observatör och ljuskälla färdas med olika hastighet förändras den. Även på direkt kollissionskurs mäter observatören samma hastighet för ljuset (detta gäller färd i likformig hastighet, annars blir det något mer komplicerat).

     I stället är det rum och tid som måste krökas. Den stora öppningen för Einsteins arbete kom i och med att han dristade sig till att överge tiden som en orubblig konstant. I dess ställe satte han ljushastigheten. Universum kröks runt detta orubbliga villkor.

     Det är en intressant konstant. Den uttrycker sig i rummet och tiden, till exempel i solens och varje annan stjärnas bestrålning av sin omgivande rymd. Man kan därmed säga att denna konstant fyller rumtiden. Ljuset - vågrörelse med ljushastigheten - är också det enda som når oss från avlägsna delar av universum, strängt taget det enda från allt som ligger utanför vårt solsystem.

     Vore inte ljushastigheten konstant, eller åtminstone i kalky lerbar relation till någon känd konstant, skulle vi näppeligen kunna säga särskilt mycket om vår kosmiska omgivning.

HÄNDELSEHORISONT

När ljushastigheten anges som ett maximum för hastighet, ouppnåelig för annat än partiklar utan massa, kan detta i stället uttryckas som en relation mellan rum och tid - med måttenheterna kilometer och sekunder blir relationen cirka 300.000. Alltså kan en sekund på inget sätt övergripa en längre sträcka än 300.000 km, en kilometer inte mätas ut snabbare än på 0,0000033 sekunder.

     Detta bildar en gräns för alla händelser i universum. Ingenting som sker vid en punkt kan påverka någon annan punkt inom kortare tid än ljushastigheten. Därför har det som sker vid första punkten helt enkelt inte skett inför nästa punkt, förrän tidigast då ljuset skulle hinna mellan dem.

     Om vår sol plötsligt skulle slockna, påverkar det på intet sätt jordelivet förrän 8 minuter senare, när solens sista ljusstrålar har nått fram. Först då slocknar solen för oss.

     Denna gräns för händelseutveckling kallas bland astronomer för händelsehorisonten och brukar tecknas som en kon. Konens spets pekar på själva händelsen, där den inträffar, och sedan växer konen som en symbol för hur händelsen maximalt kan spridas i rymden. Konens ytterskikt markerar ljushastigheten. Varje spridning innanför denna är möjlig, men inte utanför den:

     Från det perspektiv som är observatörens, handlar samma kon om forntid i stället för framtid. Ju längre bort händelsen äger rum, desto mer försenad blir dess upptäckt hos observatören. Detta kan lämpligtvis tecknas som en upp- och nedvänd kon:

     Händelsehorisonten tillämpas på svarta hål, kollapsade stjärnor med så stor masskoncentration att de till och med absorberar ljuset. Eftersom inte ens ljuset kan ta sig loss ur den extrema krökning av rumtiden som svarta hål åstadkommer i sin omedelbara närhet, kommer i dessa hela händelsehorisonten att röra sig mot hålets innersta. Hur tiden än går finns ingen annan möjlig framtid än det svarta hålets inre.

     Det föremål som en gång hamnar innanför det svarta hålets händelsehorisont har absolut ingen väg ut. I hålets centrum råder singularitet, en oändligt krökt rumtid, där varken tids- eller rumsbegrepp har någon relevans. Där sitter allt fast i ett slags intet.

     Man kan säga att i det svarta hålets inre har samtliga dimensioner krökts, tills de alla bara har en enda riktning: inåt.

     Dessa och andra egenskaper hos svarta hål, anses vara jämförbara med tillståndet vid big bang.

ÖVERLJUS

I de formler som presenterats ovan beskriver ljushastigheten ett gränsvärde. En kurva som betecknade allt högre hastigheter skulle, vare sig den beskrev tidens förlängning, längdens förkortning eller massans ökning, löpa alltmer parallellt med denna axel, utan att någonsin korsa den:

     Det beror på att varje ekvation vid ljushastigheten får 0 i bråkets nämnare:

     Om vi däremot finge tänka oss en hastighet utöver ljusets, skulle formeln i stället få ett negativt tal att dra roten ur. Eftersom inget tal multiplicerat med sig självt kan bli negativt, finns ingen lösning - bland reella tal. Däremot tillämpas inom matematiken imaginära tal, som just är sådana att de i kvadrat blir negativa - oavsett om de kan sägas finnas eller ej.

     Sålunda kunde man tala om överljushastighet som en imaginär hastighet. Det finns inget oöverstigligt fysikaliskt hinder för dem, så länge partiklar som färdas med den saknar massa. Man har också prövat deras existens - till och med givit dem ett namn: takyoner. Inte ens med de få metoder som borde stå till buds för att registrera deras existens - och så snabba partiklar skulle vara nog så undflyende - har man fått napp. Alltjämt har alltså ingen hastighet över ljusets upptäckts.

NOLL OCH OÄNDLIGT

Här är det dags att konstatera hur de absoluta ytterligheterna 0 och oändligheten ständigt återkommer i Einsteins universum. varje formel skapar gränser för kosmiska möjligheter just genom dessa två, när de möter varandra i formlerna.

     Oändlighet och noll, allt eller inget, är annars begrepp som mest hör hemma i pubertalt språkbruk - och i myternas värld.

GRAVITATION

Det svarta hålet, liksom big bang, är ett extremtillstånd där gravitationen kan sägas löpa amok. Denna kraft räknas som den svagaste av dem som fysiken kalkylerar med. Blott i det astronomiska perspektivet kommer den att dominera - och då i synnerhet vid sådana koncentrationer av massa, som gäller för bland annat svarta hål och big bang.

     Naturligtvis är samtliga himlakroppars rörelser ett uttryck för gravitationens verkan, men det är först vid ovannämnda extremtillstånd som den betvingar atomernas och elementar­partiklarnas struktur.

NEWTON

I och med Einsteins relativitetsteorier föll egentligen hela Newtons celesta mekanik. Även om Newtons formler ger mycket goda värden på himlakroppars rörelser, på alla gravitationseffekter där hastighet inte närmar sig ljusets och masskoncentrationen inte kryper inpå det svarta hålets, är de baserade på andra lagar än Einsteins. Vid prövningar under vårt århundrade är det varje gång Einstein som har tagit hem poängen, från och med de avvikelser i Merkurius bana som hans formler förutsåg, och som bekräftades vid mätningar.

     När sedan ljusets avböjning runt en stor himlakropp bevisades vid solförmörkelseobservation 1919, var de stora brytpunkterna mellan Newtons och Einsteins världbilder avklarade. "Newton hade störtats från sin tron", säger Nigel Calder i sin bok om Einsteins teorier. Einstein själv är mer behärskad: "Den nya gravitationsteorin skiljer sig alltså mycket från Newtons i vad avser grundprinciperna."

     I princip kan Newtons universum beskrivas så, att gravitation är en kraft som verkar omedelbart, på tiden noll, över rymden som är ett fast rum. Ordet dragningskraft är rimligt, eftersom den newtonska gravitationen beskrivs som en riktad påverkan mellan massor, som om de vore bundna vid varandra:

     Einstein tecknar i stället en rymd som kröks av gravitationen, så att en planet som befinner sig i bana runt sin sol inte alls dras ur en rak kurs - det är rumtiden som kröks, så att den raka banan genom rymden blir elliptisk. Här är gravitationen att betrakta som ett fält, eller ett koordinatsystem som är ytterst böjligt - det kröker sig runt himlakroppar, sväller eller krymper. Planetens kurs är oförändrat rak - från dess perspektiv - men själva rymden kröker sig:

SAMTIDIGHET

En tydlig skillnad mellan Newton och Einstein ligger i frågan om samtidighet: i Einsteins kosmos finns ingen allmängiltig tid, därför inte heller någon samtidighet mellan två punkter i rummet. Det innebär att den fjärrverkan som Newtons celesta mekanik beskriver är omöjlig. För Einstein är gravitationen ett fält som inte kan breda ut sig snabbare än med ljushastigheten.

     Om till exempel solen plötsligt skulle försvinna, betydde det i Newtons perspektiv att jordklotet genast störtade ut från sin bana, som om en gravitationell länk mellan dem i samma ögonblick klipptes av. I Einsteins värld, däremot, skulle jorden tåga på i banan åtminstone de åtta minuter det tar för ljuset att nå mellan de två himlakropparna.

     Trögheten uppfattas däremot ganska lika hos de båda herrarna, och är en grund som deras lagar står på. Massa är trög och tung - det förra är motstånd skraften mot acceleration, och det senare är tyngden i ett visst gravitationsfält. Hos Einstein kan de mätas med ett och samma tal, eftersom gravitationsfältet accelererar det koordinatsystem massan befinner sig i, och inte själva massan. Den kan alltså sägas befinna sig i vila.

     Här återkommer det omvända perspektivets betydelse: en absolut bestämning av händelser i tid och rum är inte möjlig - blott med jämförelse mellan två punkter eller två rörelser. I stället för föremålens ömsesidiga påverkan, råder påverkan från föremål gentemot själva rummet. Stora kroppars påverkan på rymden brukar illustreras med tunga klot på en presenning - underlaget tänjs och trycks ned runt klotet. Detsamma sker med den rymd som gravitationsfält verkar i.

SVARTA HÅL

I svarta hål är denna fördjupning så brant och betvingande att till och med ljuset, som bjuder störst motstånd för gravitationen, böjs in mot denna kropp. Den blir som ett bottenlöst svalg - ett ginnungagap, om man så vill. Det kräver en exceptionell koncentration av massa till en liten volym.

     Det var den amerikanske astronomen John Wheeler som lanserade begreppet svart hål. Eftersom en sådan himlakropp inte ger ifrån sig något ljus, kan den bara ses som ett svart hål på stjärnhimlen - där den skymmer bakomliggande stjärnor.

     Svarta hål sägs bildas när stora stjärnor slocknar och faller samman. Anstormningen av materia mot den stora himlakroppens mitt blir så kraftfull att massan komprimeras in absurdum. Till exempel skulle ett svart hål med en massa sex gånger solens, bara ha en diameter på cirka 35 km.

     Än så länge finns inga ovedersägliga bevis på existensen av svarta hål, om de än har stöd i Einsteins teorier, men astronomerna har pekat ut ett antal platser i kosmos där man förmodar att sådana finns. Ett gigantiskt exempel är det svarta hål man tror befinner sig i centrum av galaxen M87, som bör bestå av en massa fem miljarder gånger solens. Också i centrum av Vintergatan är det möjligt att ett svart hål befinner sig.

     Ett svart hål kan inte ge ifrån sig några som helst signaler, eftersom inte ens ljuset kommer ur det. Däremot bör en hel del aktivitet äga rum i dess utkant, framför allt vid själva dess händelsehorisont. Sådan energiutsöndring, som äger rum när hålet suger i sig partiklar i stor kvantitet, bör nå jordens observatörer. En del radiostrålande fenomen på stjärnhimlen anses vara exempel på detta.

     Det finns forskare som tvivlar på existensen av svarta hål över huvud taget. Nigel Calder nämner astrofysikerna Philip Morrison och Kenneth Brecher vid MIT. Dock är idag den stora skaran anhängare av teorin, och den spelar en inte obetydlig roll i resonemangen om universums uppkomst i big bang.

     Det extrema tillstånd som råder i svarta hål är på många sätt detsamma som bör ha rått i big bangs begynnelse. När massa komprimeras så ytterligt, bryts den ned i allt mindre beståndsdelar, mals så att säga till allt finare, hårdare packat mjöl. Molekyler och atomer upphör att existera, likaså deras beståndsdelar. Avstånd mellan elementarpartiklar krymps till närmast ett intet.

     Det finns i normaltillståndet hos materien en hel del tomrum att klämma ihop. Fast atomen inte är större än en tiomiljondels millimeter tar kärnan - som innehåller nästan all dess massa - inte större plats än ett saltkorn i Peterskyrkans kupol.

KVANTFYSIK

När ett svart hål bildas är det Einsteins teorier om gravitationen som verkar, men i det svarta hålets inre blir det mer och mer andra naturlagar som tar över huvudrollen: kvantfysikens. Denna grundas på Max Plancks upptäckt år 1900, att energirörelse inte sker kontinuerligt, utan så att säga hoppvis, i specifika mängder - kvanta. Med detta konstaterande började en allt ivrigare penetre ring av partikelfysiken i detta ljus, och man fann förhållanden som förbröt sig minst lika abrupt mot föregående föreställningar, som Einsteins teorier gjorde.

     Såväl för det svarta hålets inre, som för universums extremt komprimerade begynnelsetillstånd, är det framför allt kvant­fysikens villkor som är avgörande. Dessa är inte alltid i överensstämmelse med Einsteins teorier.

     Einstein var själv inte särdeles överens med det kvantfysiska perspektivet. I denna del av den moderna fysiken, som bredvid relativitetsteorierna betraktas som detta sekels stora landvinning, gör slumpen sin entré.

SANNOLIKHET

Materiens minsta beståndsdelar visar sig vara lika lite absoluta som Einsteins rumtid, men denna gång på så vis att deras lägen och egenskaper blott är ungefärliga, beräknas med sannolik hetskalkyler. Man menar att de helt enkelt "tenderar" att befinna sig här eller där, att de "tenderar" att göra si eller så. Det går inte att fastställa hur en enskild partikel kommer att bete sig, eller ens peka ut exakt var den befinner sig vid någon tidpunkt. Den kan bara ringas in inom ett sannolikhetsfält. Ändå går det utmärkt att räkna med kvanta på detta vis, och att säga en hel del med stor bestämdhet om dem.

     För Einstein var detta en styggelse. Många refererar till hans uttalande om att Gud inte spelar tärning. Själv säger han till exempel, i artikeln "Den matematiska fysikens grundvalar" 1940:

     En del fysiker, och bland dem jag själv, kan inte tro att vi nu och för all framtid måste överge tanken på en direkt representation i rum och tid av den fysiska verkligheten, eller att vi måste acceptera uppfattningen att tilldragelserna i naturen påminner om ett hasardspel.

     Ändå konstaterar han tidigare i samma artikel att kvant­mekanik bredvid relativitetsteorin utgör århundradets framsteg inom fysiken. Även om teorierna inte direkt motsäger varandra, tycker han inte att de syns lämpade att föras samman - såsom i hög grad måste ske i teorier om svarta hål och om big bang. För honom vore den sköna lösningen för partikelfysiken, om det gick att översätta fältteorin till kvantstatistiskt språk.

     Det är lätt att känna Einsteins aversion mot kvantfysiken. Den bär i hög grad återvändsgrändens kännetecken. När atomen väl splittrades kom snart dess fragment att gå samma öde till mötes. Elementarpartiklarna blir fler och fler för varje ny partikelaccelerator som byggs. De är i dagsläget över 200 till antalet med olika egenskaper, den ena mer udda än den andra.

     Möjligen är det så att just egenskaperna är deras enda natur, det vill säga att så snart en ny egenskap upptäcks hos naturens minsta byggstenar, får den genast namn av egen partikel - vilket lätt leder till nödvändigheten av ytterligare partiklar för att förklara dess samspel med tidigare fynd. Till exempel förklaras gravitationen som ett verk av elementarpartiklar vid namn gravitoner.

     Med kvanta gjorde kvantiteten som vetenskaplig metod entré, kan det tyckas. Observationerna blir fler, likaså de observerade fenomenen - men något sammanförande av dessa i einsteinskt och newtonskt enhetliga principer skymtar ännu inte.

     Om kosmos med Einstein blev svårfattligt men mer svindlande än någonsin förr, tycks det med kvantfysiken bli ohjälpligt kryptiskt - och inte längre så hänförande.

INSTRUMENT

Dock, både för Einstein och för kvantfysiken råder obser­vatörens handikapp: instrumenten sätter gräns för vad som kan kartläggas. Hos Einstein är ljushastigheten maximum för vad instrumenten kan registrera, eftersom de inte har högre hastigheter än denna till sitt förfogande. Hos kvantfysikerna ligger samma självklara gräns i det minimum som är deras instruments minsta manövrerbara delar. Allt över ljushastigheten eller under hanterbart partikelformat måste sålunda vara hänvisat till kvalificerade gissningar.

     Precis som relativitetsteorierna pekar ut observatörens egen position som allt annat än neutral, konstaterar kvantfysiken att dess kartläggning inte kan göras utan att detta ritar spår i det kartlagda. Det är nära till hands att förklara fakta som ofrånkomligt bundna till förväntningar, så att vi i såväl makro- som mikrokosmos inte kan se annat än vad vi väntar oss.

     Den engelske astronomen Arthur Eddington uttryckte det med poetiskt vemod:

     Vi har funnit ett sällsamt spår på det okändas stränder. Vi har tänkt ut djuplodande teorier för att förklara dess ursprung. Till slut har vi lyckats rekonstruera varelsen som gjorde fotspåret. Men ack, det är vårt eget.

ÖSTERLÄNDSKT

Ovanstående begränsningar är i kvantfysiken en realitet man helt enkelt räknar med, vilket har inspirerat flera författare till att jämföra den moderna fysiken med österländsk filosofi och mystik. Mest bekanta av dem är Gary Zukav med boken "De dansande WuLi-mästarna" och Fritjof Capra med "Fysikens Tao". Båda böckerna publicerades under andra halvan av 70-talet, och ingår alltjämt i bokhandlarnas sortiment. Zukav är inte fysiker, men har låtit sin bok granskas av en rad experter. Firtjof Capra, däremot, doktorerade i teoretisk fysik vid Wiens universitet.

     Gary Zukav slår entydigt fast: "Den österländska mystikens och den västerländska fysikens språk håller på att bli mycket lika." Capras ordval är ytterst snarlikt, när han säger att den moderna fysikens förändringar tycks leda åt ett och samma håll: "mot en världsuppfattning som är mycket lik den österländska mystikens".

     För både Zukav och Capra ligger dessa likheter främst i kvantfysikens villkor för beskrivning av verkligheten: observa­tören kan inte granska objektet utan att därmed påverka det, och elementarpratiklarna saknar substans och funktion utanför den helhet de befinner sig i.

     Denna så att säga absoluta demokrati i den fysiska världen anses besläktad med traditionell österländsk verklighets­uppfattning, som den träder fram i till exempel hinduism, taoism och zen. Även i de ofta märkliga relationer som fysiken konstaterar mellan beståndsdelarna i mikrokosmos ser de båda författarna tydliga likheter med det österländska.

     Här finns inte plats att granska deras teser, men det måste påpekas att den österländska idévärlden från Indien till Japan är så rik, att det vore mer förvånande om likheter mellan inslag i den och vilket annat tankesystem som helst inte stod att finna. Ingen av författarna har heller gjort någon tydlig jämförelse med hur väl eller illa de västerländska idétraditionerna kunde passas ihop med kvantfysiken.

URVERK TILL DATOR

Den franske teologen och matematikern Nicole d'Oresme uttryckte nog ingen för tiden orimlig tanke, när han år 1377 skrev att universum är skapt som en sinnrik klocka, tickande i god ordning alltsedan urmakaren Gud byggt och dragit upp det.

     Idag är klockan inte längre relevant eller särskilt lockande för de intellektuella giganter som orkar forska i universums mekanismer. Nu talas i stället om kosmos som ett slags dator, där förändringar hos materia, energi och annat kan beskrivas som indata och utdata. Universums processer är sålunda jämförbara med datorns, där en svit ettor och nollor från ena änden har omvandlats till en helt annan kombination i den andra. Inget har egentligen tillförts, precis som summan av energi alltid är konstant i universum, utan bara ändrat form.

     Likaså är datorn som jämförelse uppskattad, då den visar på helhetens signifikans - enskildheter är det ont om i kosmos, allt löper genom samma programvara och kan ingenstans följa några egna regler. Kvantfysiken visar även att elementar­partiklarna inte har något slags egenskaper utanför sina kombinationer med varandra.

     Det visar sig vara svårt att slå fast om det finns någon avgörande skillnad mellan ett universum och en datorsimulering av ett universum. I så fall är det lika svårt att säga om vi lever i det ena eller andra. I det mindre perspektivet är forskarna oense om huruvida det går att skilja ut en dator från en levande varelse på något avgörande, ovedersägligt sätt.

     På 1300-talet var jämförelsen med klockan ytterligt passande, idag sägs universum fungera som en dator. Peter Nilson konstaterar: "Och antagligen fungerar det - i någon annan tid - som något helt annat."