Filosofi och fysik har mer gemensamt än vad man kanske först tror – båda försöker förklara verkligheten. Inom filosofin benämns dessa frågeställningar som ontologi efter det grekiska ordet för ”vara” eller ”existera”. Genom historien har det presenterats en rad olika svar på frågan om vad världen egentligen är.
Idag vet vi att världens sanna natur är något helt annat än världen såsom vi upplever den – allt består ytterst av atomer, molekyler och partiklar fördelade enligt enkla och allmängiltiga lagar. Tillvarons variationsrikedom härstammar från kombinationer av de enklaste beståndsdelarna, ungefär på samma sätt som de enklaste legobitarna tillsammans kan ge upphov till komplexa strukturer om de kombineras.
Vi kommer i följande avsnitt titta lite övergripande på kvantfysik och strängteori, två teorier i gränslandet mellan fysik och filosofi som försöker förklara vår verklighet. Det är en spännande värld som presenteras, en värld som trotsar logikens lagar, en värld som öppnar upp för parallella universum och extra dimensioner. Tankarna påminner om den filosofiska uppdelningen av verkligheten i två världar, en vi upplever genom våra sinnen (sinnevärlden / fenomenvärlden) och en enbart åtkomlig via vårt förnuft – den ”riktiga” världen (idévärlden / noumenon).
Kvantfysik
I början av 1900-talet kom den klassiska fysiken att utmanas. Fram till dess hade atomen ansetts vara den minsta beståndsdelen i naturen (något redan Demokritos hävdade för 2500 år sedan) men nu upptäcktes att den i sin tur bestod av ännu mindre delar – en kärna av protoner och neutroner, omgivna av elektroner. De gamla teorierna om hur allting hängde samman fungerade inte längre för samspelet inne i atomen. En ny teori behövdes.
1900-talets främsta atomfysiker.
Med den danske fysikern Niels Bohr och hans tyske kollega Werner Heisenberg i spetsen skapades en helt ny förklaringsmodell av mikrokosmos, den minsta nivån av verkligheten. Kvantfysiken (eller kvantmekaniken) beskriver hur atomer uppför sig och förklarar ljus, elektricitet och andra fenomen som verkar på extremt små skalor.
Teorin var inledningsvis mycket radikal då den gick emot såväl sunt förnuft som alla tidigare sätt att betrakta vår värld. Medan tidigare fysiska teorier förutsatte att universum var välordnat och förutsägbart, menade Bohr och Heisenberg att alla grundläggande partiklar betedde sig fullkomligt slumpartat. På kvantnivå, där atomens byggstenar existerar, är ingenting säkert eller förutsägbart. Det enda man kan göra är att förutsäga sannolikheten för olika händelser.
Naturens minsta beståndsdelar lyder alltså under helt andra naturlagar än vi. Det är en värld så konstig att vore den synlig för blotta ögat så hade man trott sig vara galen. För materiens minsta beståndsdelar, elementarpartiklarna, blir begrepp som tid och rum oregelbundna och kaotiska. Vänster och höger, upp och ned eller före och efter sätts fullkomligt ur spel. Det är omöjligt att med säkerhet bestämma ett objekts position då det till och med kan vara på flera ställen samtidigt. En partikel kan existera på plats innan den kom dit, eller finnas till för att i nästa stund aldrig ha existerat. I kvantvärlden upphör logikens lagar att gälla, här är instabilitet och slump det rådande tillståndet.
I teorin är det faktiskt möjligt för logikens lagar att brytas även i vår egen värld. Det finns en viss sannolikhet att du kan passera igenom en ogenomtränglig vägg, fast chansen att det ska hända är så liten att du måste försöka i nära nog en evighet för att lyckas. Men på kvantnivå händer sådant hela tiden.
förmodligen ett av de mest kreativa
intellekten någonsin. Han förstod
dock aldrig kvantfysiken…
Det sägs ibland att vi aldrig kan förstå kvantfysiken, att det bästa vi göra är att konstatera att teorin faktiskt fungerar. Bland dem som aldrig accepterade den fanns Albert Einstein. Han menade att universum måste uppföra sig på ett bestämt och förutsägbart sätt, en kritik han formulerade som ”Gud kastar inte tärning.”
Einstein pekade också på det orimliga i att ha två olika teorier inom fysiken som förklarar världen – en baserad på relativitetsteorin för att studera stjärnor, galaxer och universum, en baserad på kvantfysik för att studera atomer och partiklar. Han kom att försöka förena dessa två förklaringsmodeller till en enhetsteori – dock utan att lyckas.
Det pågår idag intensiv forskning runt om i världen för att applicera kvantfysikens egenheter på en helt ny typ av datorer – så kallade kvantdatorer. I teorin kan en kvantdator bli betydligt snabbare än dagens datorer genom att t ex lagra mer information per byte än en traditionell dator (där en byte enbart kan vara 1 eller 0). Ett annat sätt att öka hastigheten är att teleportera kvantinformation (enligt EPR-paradoxens principer, se nedan) istället för att låta den förmedlas via elektroner i små ledningar.
Det är fortfarande långt kvar till tekniken är tillgänglig för allmänheten, men har du 100 miljoner kronor över kan göra som bland annat Google, NASA och Lockheed Martin – investera i en kommersiellt tillgänglig kvantdator från kanadensiska D-Wave.
EPR-paradoxen
Einstein var aldrig tillfreds med den nya kvantfysiken så tillsammans med Boris Podolsky och Nathan Rosen konstruerade han 1935 ett tankeexperiment som blev känt som Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen, förkortat till EPR-pardoxen.
Experimentet utgår från det faktum att atomens elektroner strävar efter att förekomma i par, så kallade elektronpar. Elektronerna har därtill en egenskap kallad spinn, vilket beskriver det håll de roterar, och elektronernas spinn i ett elektronpar är alltid varandras motsatser. Detta beror på att de två elektronerna står i relation till varandra.
Paradoxen går nu ut på att om man skiljer dessa båda elektroner åt, låt oss säga till var sin sida av universum, och förändrar spinnet på den ena elektronen så skulle elektron nummer två i samma ögonblick också byta rotationshåll.
Detta innebär att det sker en överföring av information helt utan tidsförlust. Detta bryter mot Einsteins relativitetsteori som menar att ingenting kan färdas snabbare än ljusets hastighet.
Än mer häpnadsväckande blev det 1982 då den franske fysikern Alain Aspect demonstrerade denna effekt experimentellt. Einstein hade i det här fallet fel och kvantfysiken och dess egenheter är idag en etablerad modell bland fysiker.
Strängteori
Kvantfysiken må vara svår att förstå, den må vara ologisk, men den är inte längre ifrågasatt. En teori som däremot fortfarande är kontroversiell är strängteorin – en helt ny förklaringsmodell av verkligheten som inte bara lyckas kombinera klassisk fysik och kvantfysik till en enhetsteori, utan också förmår svara på några av fysikens olösta gåtor; mörk materia, gravitoner och Big Bangs uppkomst.
Om teorin stämmer är det en av de största naturvetenskapliga upptäckterna någonsin. Problemet är bara att förklaringen vänder upp och ner på det mesta vi trodde oss veta om hur verkligheten är konstruerad… Låt oss börja.
Enligt traditionell fysik så består allt av atomer, vars inre struktur består av protoner, neutroner och elektroner. De så kallade nukleonerna (protonerna och neutronerna) är i sin tur uppbyggda av kvarkar (upp-, ner-, sär-, charm-, botten– och toppkvark). Dessa kvarkar utgör tillsammans med exempelvis elektroner, fotoner och bosoner verklighetens minsta beståndsdelar och kallas därför för elementarpartiklar. Dessa elementarpartiklar har i regel massa (annars hade de varit ”meningslösa”), men de har ingen storlek – de är alltså noll-dimensionella.
Det är dessa elementarpartiklar som enligt strängteorin utgörs av extremt små vibrerande strängar. Dessa strängar är endimensionella och har alltså till skillnad från tidigare teorier en rumslig utsträckning, även om de är extremt små med en längd på ca 10-35 meter, flera hundra miljarder miljarder gånger mindre än en atom. Om en atom vore stor som vårt solsystem, så är en sträng som ett träd på jorden.
Dessa strängar kan vibrera på en mängd olika sätt och de olika vibrationerna representerar de olika elementarpartiklarna som bygger upp vår materia. Den enda skillnaden mellan de partiklar som vi människor består av och exempelvis ljus (fotoner) är sättet strängarna vibrerar på. Detta är en idé som kan få långtgående konsekvenser.
Redan från början ansåg många att strängteorin var excentrisk och man upptäckte fler ”konstigheter” med den hela tiden. Det hela började i slutet av 1960-talet när en ung italiensk fysiker vid namn Gabriele Veneziano undersökte hur atomkärnans protoner och neutroner håller ihop, en kraft vi idag benämner den starka kärnkraften. Han råkade titta i en gammal bok om matematikens historia och fann en drygt 200 år gammal ekvation av den schweiziske matematikern Leonard Euler. Ekvationen hade länge betraktats som en matematisk kuriositet men Veneziano upptäckte till sin förvåning att den verkade beskriva just det samband han sökte.
Upptäckten spred sig snabbt och hamnade så småningom hos den amerikanske fysikern Leonard Susskind. Han började undersöka den gamla formeln och kunde verifiera att den beskrev den starka kärnkraften – men han såg också någon nytt bakom de avancerade ekvationerna. Han insåg att de beskrev ett elastiskt band som kan liknas vid en gummisnodd, en gummisnodd som inte bara var töjbar utan även vibrerade.
Men allt eftersom man utforskade denna nya teori uppenbarade sig ett antal stora problem. Först ut var en mystisk partikel som helt tycktes sakna massa, en partikel som gravitationen helt ignorerade. Efter flera års forskning insåg man att denna partikel inte ignorerades av gravitationen, utan att partikeln man studerade var gravitationen. Man trodde sig ha upptäckt gravitonen, den sedan längre eftersökta partikel som förmedlar själva tyngdkraften. Strängteorin hade nu eventuellt hittat en pusselbit som fattats i den traditionella fysiken.
1984 fick strängteorin sitt stora genombrott. Teorin hade länge dragits med problem som gjorde att den inte togs på allvar, men nu hade man äntligen lyckats göra den fri från avvikelser och undantag. Därtill hade man lyckats innefatta alla de fyra naturkrafterna (gravitation, elektromagnetism och starkrespektive svag kärnkraft), och därmed för första gången skapat en enhetsteori och förverkligat Einsteins dröm.
Strängteorin verkar kunna beskriva naturens alla byggstenar, men introducerar också nya problem. Om strängarna faktiskt existerar så är de för små för att vi någonsin ska kunna se eller uppfatta dem. Därmed kommer vi heller aldrig att kunna utföra några experiment på dem, och naturvetenskap definieras av just empiriska mätningar av hypoteser och teorier. Det finns en nedre gräns för vad vi teoretiskt kan se, en gräns baserad på storleken på ljuspartikeln, fotonen. Vi kan aldrig se ett objekt som är mindre än själva partikeln som överför ljuset. Just därför är det många som menar att teorin är att betrakta som filosofisk snarare än fysisk – en ren ”tankekonstruktion”.
Men även om vi aldrig kan se strängarna så kanske vi kan få syn på deras avtryck. Om de existerade när universum skapades, när allt var extremt komprimerat, kan de ha lämnat spår efter sig. Efter Big Bang, när universum expanderade, kan dessa spår ha tänjts ut. Därför söker forskare idag efter något som kallas för supersymmetri. Strängteorin förutsätter nämligen att det för varje subatomär partikel (t ex elektroner, fotoner och gravitoner) måste finnas en tyngre kompanjon, en så kallad spartikel. Någon sådan har aldrig hittats men sökandet har hög prioritet.
Supersymmetrins spartiklar är sannolikt för tunga för att kunna upptäckas i en traditionell partikelaccelerator, varför man 2008 beslöt att bygga världens största, och dyraste, maskin – Large Hadron Collider (LHC). Detta är en enorm partikelaccelerator på det europeiska forskningslaboratoriet CERN i Schweiz. Acceleratorn, som ligger nedgrävd djupt under marken, är 27 kilometer lång och sträcker sig en bra bit in under den franska gränsen. Den har bekostats och byggts i samarbete med över 10 000 fysiker från över 100 länder. Kostnaden av 40 miljarder kronor, plus en driftskostnad på 6 miljarder varav Sverige årligen betalar ca 200 miljoner. Maskinen fyller fler syften än att hjälpa strängteorin på traven men det visar ändå hur viktigt många tycker att strängteorin och dess framtida möjligheter är.
Med strängteorin följer dock mer än en beskrivning av de minska byggstenarna i universum, den förutsätter att det existerar betydligt fler dimensioner än vi tidigare trott. Traditionellt anser vi att verkligheten är uppbyggd av fyra dimensioner – tre rumsdimensioner och en tidsdimension. För att få matematiken att gå ihop menar strängteoretikerna att det måste finnas extra dimensioner som strängarna kan röra sig mellan, en idé som kanske inte är så underlig som man först kan tro.
Idén om att verkligheten innehåller fler dimensioner än vi kan uppfatta går tillbaka nästan 100 år i tiden. 1916 visade Einstein att gravitation är krökningar och vågrörelser i de fyra kända dimensionerna, och 1919 föreslog den tyske matematikern Theodor Kaluza att även elektromagnetismen i grund och botten är vågrörelser. För att detta skulle vara möjligt behövdes ett ställe för vågrörelserna att uppstå, varför han föreslog en extra, dold, rumsdimension som vi inte kan uppfatta. Han skickade sin idé till Einstein, som gav idén medhåll och några år senare publicerades forskningen.
Men var finns då denna extra dimensionen och hur ser den ut? Kan vi ens föreställa oss den? Med utgångspunkt från Kaluzas arbete föreslog den svenske fysikern Oskar Klein under 1920-talet en lösning – att små dimensioner existerar ihoprullade i de ”vanliga” dimensionerna. Kaluza och Klein föreslog alltså att vårt universum bestod av de tre rumsdimensionerna och en ihoprullad dimension, miljarder gånger mindre än en atom. De tänkte sig den som en liten cirkelformad extra dimension i varje punkt i rummet.
Idén om extra dimensioner utgör själva kärnan i strängteorin. Matematiken bakom teorin kräver faktiskt minst sex extra dimensioner som har tvinnats och rullats ihop i små och komplexa former. Dimensionernas form påverkar hur strängarna rör sig och vibrerar, och skulle kunna vara svaret på en av naturens svåraste gåtor – var naturkonstanterna uppstår.
Vi känner till ett tjugotal naturkonstanter, givna värden i universum. Några exempel är partiklarnas massa, elektronens laddning och ljusets hastighet i vakuum. Om någon av dessa värden skulle ändras skulle följderna bli dramatiska. Om exempelvis protonen skulle tappa 0,2 procent av sin massa skulle atomen upplösas. Att de är konstanter innebär att de är desamma i alla tider och på alla platser i universum. Men vad är det som ställer in värdena för dessa konstanter? Det vet vi inte, men svaret skulle kunna vara de extra dimensionerna i strängteorin.
Under 1980-talet verkade strängteorins framgång given, men bakom kulisserna rådde förvirring. Genom åren hade det konstruerats fem olika versioner av strängteorin. Alla byggde på strängar och extra dimensioner, men i detaljerna skiljde de sig åt. I vissa versioner var strängarna öppna, i andra var de slutna öglor. En del förutsatte tio dimensioner, medan andra krävde upp till 26 dimensioner. Samtliga versioner verkade fungera lika bra, men vilken beskrev vårt universum? Hur kunde det finnas fem varianter av en enhetsteori? Luften verkade ha gått ur strängteorin och många fysiker flydde fältet besvikna över att man inte tycktes komma längre.
Men 1995 kom nästa stora framsteg. Under en årlig konferens för strängteoretiker höll den amerikanske fysikern Edward Witten en föreläsning som kom att göra sensation. Han förklarade att det inte alls fanns fem olika teorier, utan bara fem olika sätt att betrakta en och samma sak. Till slut hade strängteorin blivit en enad teori – en enhetsteori. Denna nya tolkning gav han namnet M-teorin, men det är fortfarande något oklart vad M:et betyder. Enligt Witten själv står det mellan magisk, mystisk eller matrix.
Enligt M-teorin lever vi i en värld med elva dimensioner – en tidsdimension, tre rumsdimensioner, sex minimala dimensioner ihoprullade kring de övriga dimensionerna samt en elfte dimension som möjliggör för strängar att tänjas ut till något som liknar ett flerdimensionellt membran. Om denna elfte dimension innehåller tillräckligt mycket energi kan den växa sig enormt stor – stor som ett universum.
Om teorin stämmer och det finns jättelika membran och extra dimensioner uppstår helt nya möjlighet; att vårt universum existerat i ett membran inuti ett större rum i en högre dimension. Det skulle kunna finnas parallella universum, helt osynliga då de existerar i en annan dimension.
Enligt teorin kan vårt universum liknas vid en skiva bröd i en limpa – ofta kallad bulken. Bulken består även av andra brödskivor, andra universum, som ligger intill vårt eget som parallella universum. I så fall är vårt universum inte unikt, vi kan ha mängder av grannar. Somliga kanske liknar vårt universum med materia, planeter och levande varelser. Andra kanske styrs av helt andra fysikaliska lagar.
Om det existerar parallella världar, varför kan vi då inte se eller röra dem? Alla partiklarna, alla strängarna, är bundna till sitt eget membran. De kan helt enkelt inte lämna sin dimension, varför eventuella parallella universum förblir onåbara för oss.
Idén om parallella universum är mer än bara lösa spekulationer, det finns argument för att det kan vara sant. Teorin skulle nämligen kunna lösa en av naturvetenskapens allra största gåtor – gravitationen.
Det har gått över 300 år sedan Isaac Newton presenterade gravitationslagen, och det förefaller lätt som att gravitationen är en stark kraft. Vi står stabilt med fötterna på jorden och för ting som faller finns det ingen tvekan över vart de är på väg. Men faktum är att gravitationen är oerhört svag. Den håller oss kvar på jorden, och jorden i dess bana kring solen, men vi övervinner gravitationen hela tiden. Jämfört med en annan grundläggande kraft, elektromagnetismen, är gravitationen hela tusen miljarder miljarder miljarder miljarder gånger svagare (1*1039 ).
Gravitationens ringa styrka har länge förbryllat fysikerna, men strängteorin presenterar en lösning genom att säga ”gravitationen är inte svag, den bara ter sig svag”. Det kan faktiskt vara så att gravitationen är precis lika stark som de övriga krafterna men att vi inte kan känna dess styrka.
Vi konstaterade tidigare att partiklarna, strängarna, var bundna till sitt eget membran. Tänk om gravitationen är ett undantag, om den kan röra sig fritt mellan de olika dimensionerna? Men varför skulle gravitationen vara olik allt annat vi känner till? Strängteorin – eller närmare bestämt M-teorin – menar att det har med strängarnas form att göra. Man tänker sig att allting, t ex materia och ljus, består av öppna strängar vars bägge ändar sitter fast i vårt tiodimensionella membran. Därmed har de ingen möjlighet att lämna denna verklighet. Men de strängar som ger upphov till gravitationen, gravitoner, ser annorlunda ut. De är slutna strängar, cirkelformade, och har därför inte några ändar som kan fästa på membranen. Detta medför att de kan röra sig fritt mellan de olika dimensionerna, varför gravitationen tunnas ut och framstår som svagare än de övriga krafterna i naturen.
Om det existerar parallella universum i andra membran så borde de sannolikt ligga förhållandevis nära oss då gravitationen för våra galaxer samman. Stora materiesamlingar i vår värld motsvaras av stora materiesamlingar i närliggande andra världar och skapar parallella galaxhopar i parallella universum som tillsammans utgör ett gigantiskt megaversum. Endast gravitonen har förmågan att förflytta sig i hyperrymden, mellan de olika universumen, och håller på så sätt ihop de olika världarna.
Detta skulle också kunna lösa problemet med mörk kraft och mörk materia. Vi vet sedan länge att atomerna i vårt universum endast utgör 4,6 procent av den mätbara gravitationen, men vad de övriga 95,4 % härstammar från är ett stort mysterium. Strängteorin ger alltså en tänkbar lösning på vad denna mörka materia är – materia i andra världar! Detta skulle också kunna vara svaret på varför vårt universum expanderar betydligt snabbare än det ”borde” – det påverkas av gravitationen i andra dimensioner.
Avslutningsvis presenterar strängteorin också ett potentiellt svar på gåtan om vad som orsakade Big Bang. Denna beskriver universums tillkomst för ca 13,8 miljarder år sedan då rymden började expandera, men inte vad som satte igång processen. Om Big Bang skapade tid och rum, vad skapade i så fall Big Bang och hur gick det till? Detta är ett problem som går tillbaka hela vägen till den antike filosofen Aristoteles som presenterade en idé kallad primus motor (latin för ”den förste röraren”), med innebörden att någonting måste ha satt igång skapelsen av världen – ofta tolkat som Gud. Själva Big Bang-teorin inkluderar inga försök att förklara hur processen uppstod, utan tar vid då universums expansion påbörjas. Hitintills har vi inte haft några ordentliga teorier om dess uppkomst.
Om strängteorin stämmer existerar vi i en tio-dimensionell värld tillsammans med andra tio-dimensionella världar i ett elva-dimensionellt multiversum. Gravitationen verkar på alla dessa parallella universum och vi kommer förr eller senare att kollidera med varandra. Vad händer då? Ingen vet, men det är inte allt för långsökt att tänka sig en stor smäll där själva tid- och rums-dimensionerna kollapsar. En Big Bang.