Föregående

nummer

Onsdag 18 oktober 2017

6/2016

Tema: Respons diskuterar den aktuella medieutredningen och den kvalitativa journalistikens kris och framtid
Naturvetenskap & teknik
Katherine Freese
Kosmisk cocktail – Tre delar mörk materia
Volante | 319 s | Isbn 9789188123350
Recensent: Helena Granström
Tänk om mörkret finns i våra teorier

Den materia som vi kan iaktta med våra sinnen tycks bara ansvara för fem procent av universums samlade energi. Partikelfysikern Katherine Freese redogör i sin självbiografiskt hållna bok för sökandet efter det som går under namnet mörk materia, som antas utgöra omkring 25 procent av universums samlade energi men som man ännu inte har lyckats identifiera. Hon är övertygad om dess existens, men snuddar också vid tanken att fysikens nuvarande teoribyggen kanske är en parallell till den ptolemaiska modellen – en rad korrektioner av en i grunden felaktig teori.

För omkring 2 500 år sedan tycktes saken stå klar: Jorden befann sig i universums mittpunkt och kring den kretsade solen och de andra planeterna i perfekt cirkelformiga banor. Denna ursprungligen enkla modell utvecklades successivt och utgick så småningom ifrån planeter som rörde sig i cirklar, samtidigt som de oupphörligt beskrev mindre cirklar, så kallade epicykler, längs med denna bana. Genom noggrann bestämning av cirkelrörelsernas perioder kunde den alexandrinske tänkaren Ptolemaios omkring vår tideräknings början presentera en modell som gav förhållandevis god överensstämmelse med astronomiska data och några sekler senare hade modellen förfinats så mycket att den kunde förutsäga samtliga planeters rörelse på någon tusendel när.

Den ptolemaiska modellen måste alltså sägas ha inneburit en enorm framgång – om det inte varit för att den var fullkomligt felaktig. Den lärdom vi bör dra av detta är, som fysikern Lee Smolin har påpekat, att en teori kan besitta både matematisk skönhet och förmåga att producera korrekta förutsägelser utan att detta utgör någon garanti för dess riktighet. I fallet med Ptolemaios geocentriska världsbild var helt enkelt utgångspunkten förfelad och varje teori byggd på dess grund därmed med nödvändighet begränsad.

Det ptolemaiska misstaget berörs också i förbigående av partikelfysikern Katherine Freese i den nyutkomna boken Kosmisk cocktail – en självbiografiskt orienterad bok om samtida kosmologi. Tänk, skriver Freese, om fysikens nuvarande teoribyggen utgör en analogi till cirkelbanornas epicykler på epicykler – små korrektioner av en i grunden felaktig modell, som ger bättre resultat men aldrig förmår korrigera de grundläggande bristerna i teorins premisser.

Möjligheten tycks dock inte bekymra Freese i någon större utsträckning. I sin bok redogör hon lustfyllt för sökandet efter det som går under namnet mörk materia, den beståndsdel av universum som vi ännu inte lyckats identifiera, men vars verkningar vi kan iaktta genom gravitationella effekter och som också är en nödvändig komponent i förklaringen av den fördelning av grundämnen som vi ser i universum. Faktum är att den materia med vilken våra sinnen har gjort oss bekanta bara svarar för omkring fem procent av universums samlade energi; en betydligt större del, omkring 25 procent, utgörs av den mörka materien, och den resterande och absolut största delen av den så kallade mörka energi som tros vara orsaken till universums accelererande expansion. Den mörka materien spelar också en avgörande roll för tillkomsten av de komplexa och livbärande strukturer som vi bevittnar i dag – om de partiklar som vi känner till hade varit den enda formen av materia, hade stjärnor, planeter och galaxer aldrig formats.

Fysikens upptäckt av denna okända men alltså mycket betydelsefulla form av materia skedde i samband med studiet av avlägsna galaxer. För fysikern står två olika sätt att bedöma en galax massa till buds: dels genom att observera dess rotation och på teoretisk väg beräkna den massa den innehåller, dels genom att räkna alla dess synliga stjärnor och lägga samman massan hos dessa. Resultatet av dessa två beräkningar visar sig avvika från varandra på ett överraskande sätt: galaxernas synliga materia tycks bara svara för en bråkdel av den massa som de av sin rörelse att döma innehåller. Genom andra teoretiska resonemang kan man utesluta möjligheten att vanlig atomär materia, som bara inte samlat sig till strålande himlakroppar, kan svara för effekterna. Den mest sannolika orsaken till diskrepansen är således att galaxerna till största delen består av en ny och okänd typ av materia, mörk i den bemärkelsen att den inte avger något ljus och därför förblir osynlig för oss.

Men det finns naturligtvis också en annan möjlighet, nämligen att den teori som ger oss beräkningarnas samband mellan rotation och massa är inkorrekt. Denna hypotes har gett upphov till det som går under namnet modifierad newtonsk dynamik, och föreslogs ursprungligen av den israeliske fysikern Mordehai Milgrom vid 1980-talets början. Enligt denna nya dynamik måste Newtons ekvationer modifieras när de tillämpas i galaxers utkanter, eller mer specifikt, vid mycket små accelerationer. Försök att revidera den allmänna relativitetsteorin på motsvarande sätt har också gjorts och förmått producera mycket goda förutsägelser inom vissa regioner, men kräver att konstanter justeras på ett icke-intuitivt sätt för att överensstämma med observationer. Dessutom introducerar de en mängd nya fält som inte tycks motiverade och, kanske mest graverande, står i akut konflikt med väletablerade fysikaliska principer.

Freese, liksom de flesta andra fysiker, är alltså övertygad om den mörka materiens existens och betraktar sökandet efter den som en av fysikens och kosmologins mest brännande uppgifter. Det finns redan ett flertal olika typer av partiklar eller astronomiska objekt som mer eller mindre välgrundat misstänks för att utgöra denna osynliga materia. En av dem är axionen, en partikel vars existens antas förklara att den starka kraftens verkan förblir oförändrad om en partikel byts ut mot sin antipartikel, och dessutom utsätts för en operation som kan liknas vid spegling. En annan kandidat skulle kunna vara en ny och okänd form av partikelslaget neutriner, så kallade sterila neutriner. Fysiken är i dag bekant med tre olika former av neutriner, som inte räknas till den vanliga materian utan utgör en egen grupp som upptar omkring en halv procent av universums massfördelning. Att dessa inte utgör den mörka materien är klart, men en fjärde och ännu inte observerad neutrino med speciella egenskaper skulle eventuellt kunna göra det. Ytterligare en möjlighet är att den mörka materien utgörs av en särskild typ av svarta hål, som uppstod mycket tidigt i universums historia – ett av problemen med denna hypotes är att den tycks mycket svår att bekräfta. Dessa uråldriga svarta hål är ett exempel på det som inom kosmologin brukar förkortas MACHO – massiva kompakta astronomiska objekt som planeter, stjärnor eller stjärnrester

Det är kanske följdriktigt att den främsta motkandidaten till MACHO går under namnet WIMP – machos mot mesar, alltså. Förkortningen står för en partikel som har massa, och utöver gravitationen även växelverkar med vanlig materia enbart genom den svaga kraften. WIMP framhålls av Freese som det mest troliga alternativet för den mörka materiens identitet och en stor del av hennes yrkesverksamma liv har på olika sätt ägnats åt detektionen av sådana. WIMP förekommer i sin tur i en mängd olika former, men en som ofta diskuteras är så kallade supersymmetriska partiklar, en sorts tyngre motsvarigheter till standardmodellens välkända uppsättning av kvarkar, leptoner och gauge- och higgsbosoner.

Tillvägagångssätten för att detektera mörk materia och därmed slutgiltigt kunna identifiera dess sammansättning, är flera: dels genom detektion av produkter som tros härröra från den mörka materiens sönderfall, så kallad indirekt detektion, dels genom direkt detektion i gigantiska detektorer, som för att undvika störande brus ställer mycket stora krav på placering och konstruktion. Samtliga dessa strävanden har hittills gett otydliga och motstridiga resultat, förmodligen till stor del beroende på den enorma känsligheten hos detektions- och experimentuppställningarna. Den största framgången hittills kan kanske sägas vara somliga detektorers nollresultat, som kan betraktas som en begränsning av vilka massintervall som är möjliga. Men som den svenske fysikern Ulf Danielsson påpekar i sin bok Mörkret vid tidens ände: kanske kommer den mörka materien så småningom visa sig vara komplext sammansatt av en mängd beståndsdelar, en lika brokig skara som de partiklar som utgör den materia vi känner. Vem, frågar sig Danielsson, har sagt att det måste vara enkelt?

När Danielsson diskuterar den mörka materiens beskaffenhet gör han det utifrån den teoretiska fysikens horisont: många av de partikelslag som föreslagits som mörk materia fyller också avgörande funktioner inom grundläggande partikelfysik. Detta gäller inte minst de supersymmetriska partiklarna, som utgör del av ett teoretiskt ramverk som kopplar samman fysikens två olika partikelslag – bosoner och fermioner – på ett matematiskt elegant sätt. Bosoner, som omfattar alla kända kraftförmedlande partiklar, och fermioner, exempelvis elektroner och kvarkar, tycks i mångt och mycket utgöra varandras motsatser och deras fundamentalt olika beteenden ligger till grund för stora delar av den fysik vi känner. Att finna en länk mellan dem framstår därför som lika tillfredsställande som oväntat och skulle dessutom åtgärda vissa matematiska brister i partikelfysikens standardmodell.

Kanske är det därför som supersymmetrin fortfarande utgör en av den samtida fysikens bärande hypoteser, trots att inga tydliga belägg för dess giltighet ännu har kunnat produceras vid LHC eller någon annanstans. Den ursprungliga modellen för supersymmetri, som framlades på sjuttiotalet, föreskrev superpartners med samma massa som deras välkända motsvarigheter. När experiment visat sig strida mot detta antagande har man utnyttjat modellens flexibilitet för att successivt justera massorna uppåt och på så sätt alltså förklara varför partiklarna ännu inte producerats i acceleratorer. Såväl Freese som Danielsson tycks i grunden optimistiska när det gäller supersymmetrins bäring på verkligheten, men som mer skeptiska fysiker, däribland Roger Penrose, har konstaterat: en modell som underlättar de teoretiska beräkningarna genom att introducera otaliga ännu oupptäckta partiklar som bara råkar vara för tunga för att kanske någonsin detekteras – är det inte litet för bekvämt?

Oavsett om fysikernas sökande efter den mörka materiens väsen visar sig ge utdelning eller inte, finns det med andra ord all anledning att för ett ögonblick återvända till Ptolemaios. Vad skulle, i analogi med antagandet om jorden som världsalltets mittpunkt, kunna vara vår tids grundläggande tankefel? Partikelfysikens standardmodell har visat sig synnerligen framgångsrik i att förutsäga utfallet av experiment, men vilar likväl på ett antal skenbart godtyckliga parametrar, som måste föras in i modellen utifrån – ett antal som för övrigt ökar kraftigt vid introduktionen av supersymmetri. Dessutom omfattar den inte gravitationen och att hitta en teori som gör det samtidigt som den innehåller den kvantmekaniska beskrivningen av tillvarons minsta beståndsdelar har visat sig mycket besvärligt. Det enda teoretiska ramverk som kan berömma sig av att klara denna bedrift är strängteorin, men den är, snarare än en väldefinierad teori, en enorm uppsättning av olika matematiska strukturer som kanske, men bara kanske, har någon koppling till det universum vi faktiskt bebor.

Möjligen skulle dessa komplikationer kunna tas till intäkt för att vi ännu är oförmögna att ställa frågan om tillvarons beskaffenhet på rätt sätt och att standardmodellen, som med rätt justerade parametrar korrekt förutsäger såväl observationer som experiment, inte är något annat än ett artificiellt konstruerat system – epicykler på epicykler, om man så vill. Den experimentella fysikens sökande efter ny kunskap har under de senaste decennierna, understödd av en intensiv teknikutveckling, i första hand fokuserat på att sönderdela materien i allt mindre beståndsdelar. Den gigantiska acceleratorn LHC vid CERN är det mest storslagna monumentet över detta angreppssätt. Onekligen är det kunskap vi vinner genom en sådan praktik, men är det den enda möjliga formen av kunskap och förmår vi med dess hjälp beskriva inte bara de enskilda delarna, utan även helheten?

Dessa frågeställningar bottnar djupast i frågan om relationen mellan teori och verklighet. Hur bör vi betrakta kvantmekanik och relativitetsteori, vår tids mest framgångsrika fysikaliska teorier? Från det faktum att modellerna fungerar så väl skulle vi kunna dra slutsatsen att de är trogna representationer av verkligheten – att de verkligen säger oss något om hur världen är. Men vi skulle också kunna betrakta dem enbart som användbara redskap – produkter av mänskligt tänkande som har visat sig vara nyttiga i sökandet efter fysikalisk kunskap, men som utöver detta saknar någon entydig relation till verkligheten.

Om vi landar i det senare ställningstagandet och därmed överger ambitionen att koppla modellerna till verklighetens sanna struktur, är överensstämmelse med mätresultat det enda kriterium vi kan applicera på en teori. Ur ett sådant perspektiv uppstår felet med den ptolemaiska modellen först i det ögonblick som dess förutsägelser avviker från mätdata, men inte tidigare. Vad vi i alla händelser tvingas konstatera är att en mängd olika teorier kan producera samma resultat och att det är osannolikt att någon enskild teori någonsin skall kunna bevisa sig själv som unikt giltig.

Finns det ens skäl att tro att fysikens dröm om en fullödig representation av verkligheten – en teori om allt – över huvud taget är principiellt möjlig? Vi befinner oss i universum, och vi, liksom vårt tänkande, är i allra högsta grad en del av det. Är det utifrån detta rimligt att tro att vi skall kunna inta det utifrånperspektiv på universum som en allomfattande teori skulle kräva? Som Danielsson konstaterar: ”Vetenskapens uppgift är att beskriva min relation till ett kosmos som jag själv är del av och vars yttersta beskaffenhet och substans mycket väl kan övergå mitt förstånd.” Att det mänskliga medvetandet är förmöget att på djupet greppa sin egen belägenhet är och förblir en from förhoppning.

Helena Granström är författare, fil.mag. i teoretisk fysik och fil.lic. i matematik. Hon utkom senast med essäboken Det som en gång var (Natur och Kultur, 2016).

 

– Publ. i Respons 6/2016

FÖLJANDE

nummer

DET ÄR DUMT ATT VETA FÖR LITE

I Respons behandlas all viktig facklitteratur på svenska inom humaniora och samhällsvetenskap av recensenter med specialkunskaper i ämnet. I en tid då den fördjupande diskussionen av facklitteraturen tappar mark i offentligheten vill Respons visa hur viktig recensionen är för kunskapsspridningen, kulturen och den allmänna opinionen. Chefredaktör för Respons är Kay Glans.

”Respons behövs” Kaj Schueler, SvD
”… den utmärkta tidskriften Respons” Björn Wiman, DN Kultur
”Recensionerna överträffar vida de som vanligtvis går att läsa i dagstidningarna.” Aftonbladet