Vårt förflutna försvinner i kvantmekanikens existentiella obestämbarhet

Fysikerna Hawkings och Hertogs teorier presenteras i en vetenskapsfilosofiskt driven bok som insisterar på människans oupplösliga koppling till kosmos.

Vårt universum – bara en liten bubbla i en evigt expanderande rymd? Daniel Holmes / Alamy Stock Photo
6 december 2023
8 min
Recenserad bok
Om tidens uppkomstStephen Hawkings slutgiltiga teori
Thomas Hertog
Översättare Lisa Sjösten
Fri Tanke, 2023, 445 sidor

Hur uppstod universum? Varje försök att besvara frågan tycks dömt att stöta på patrull, för när universum uppstod måste det ha varit en händelse i tiden, men varken tid eller rum fanns ju innan universum fanns – vilket rimligtvis också gör frasen »innan universum fanns« till nonsens. 

Detta har dock inte hindrat generationer av kosmologer från att uppmärksamma frågan. Tvärtom, och en person som varit mer delaktig än de flesta i sökandet efter svar är den numera bortgångne Stephen Hawking, den ALS-sjuke rockstjärnefysiker vars namn knappast är obekant för någon. I sin doktorsavhandling från 1966 tillämpade han Einsteins relativitetsteori på big bang för att dra slutsatsen att det expanderande universum vi bebor måste ha tagit sin början i en singularitet, det vill säga ett tillstånd i vilket rumtidens krökning blir oändlig och fysikvetenskapen som vi känner den blir obrukbar. Drygt femton år senare skulle han i samarbete med kollegan Jim Hartle visa att kvantmekaniska överväganden förändrar situationen på ett sådant sätt att tillståndet vid universums födelse inte längre kännetecknas av det ekvationernas sammanbrott som relativiteten förutspår. Därmed inte sagt att den nödvändigtvis blir mindre undflyende, för enligt Hawkings och Hartles beskrivning kommer den som söker tidens begynnelse i viss mening aldrig att finna den, på samma sätt som den som söker världens ände aldrig kommer att nå fram till någon kant. Att fråga vad som kom före den stora smällen blir då också, menade Hawking själv, inte mer meningsfullt än att fråga vad som ligger söder om sydpolen.

Denna hypotes, känd som randfrihetsförslaget (the no-boundary proposal), skulle senare återfinnas i botten av det arbete som Hawking under många år bedrev tillsammans med kosmologen Thomas Hertog, som nu beskrivit deras gemensamma teori och samarbete i boken Om tidens uppkomst. Vad som stod på spel i deras fall var inte längre bara omständigheterna för universums födelse, utan mer än så, nämligen frågan om vad vetenskap egentligen är och om människans roll i beskrivningarna av kosmos.

Thomas Hertog är professor i teoretisk fysik vid Universitetet i Leuven. Foto Fri Tanke

Enligt den rådande versionen av universums historia genomgick rymden under sina allra första ögonblick en kraftig expansion, så kallad inflation. Det är en berättelse som numera anses väl belagd, bland annat tack vare de mätbara spår som utvidgningen lämnat efter sig i den kosmiska bakgrundsstrålningen. Kring den kosmiska inflationens detaljer råder emellertid ingen vetenskaplig konsensus, men på senare år har i synnerhet en version av inflationsteorin kommit att inta en särställning, nämligen den om evig inflation. Enligt denna hypotes utgör vårt universum bara en liten bubbla i en oändlig, evigt expanderande rymd, och det vi känner som big bang svarar helt enkelt mot inflationens upphörande i vår särskilda region av rymden. På andra håll skulle andra bubblor uppstå, och därmed andra universum, men för evigt skilda från vårt genom den kraftfullt expanderande rymd som ligger mellan oss och dem. Genom idén om evig inflation placerade sig alltså tanken på ett så kallat multiversum på allvar inom kosmologin, och tillsammans med den ett annat kontroversiellt koncept, nämligen den antropiska principen.

En central fråga inom kosmologin har länge varit den som rör det faktum att universum tycks så märkvärdigt väl anpassat för att kunna hysa liv; för att levande varelser ska kunna utvecklas, och galaxer ens kunna bildas som kan hysa dem, krävs att en mängd naturkonstanter har värden i ett mycket snävt spann. Hur kommer det sig att vi i denna mening lever i den bästa av världar? Varför blev universum inte i stället ett kargt och ofruktbart ställe med mer godtyckliga värden på storheter som protonmassa, stark växelverkan och mörk energi? Det antropiska svaret är i viss mening det allra enklaste: för att vi i så fall inte hade varit här för att notera det. Eftersom vi är levande varelser borde det knappast komma som en överraskning att naturkonstanterna är just sådana att de gynnar utveckligen av liv, lika lite som vi bör häpna över att jorden råkar ligga på precis rätt avstånd från solen för att vi ska kunna leva här – det är ju därför vi återfinner oss själva just på jorden och inte på någon annan av solsystemets planeter. I sammanhanget av ett multiversum kan vi alltså föreställa oss att många av den evigt expanderande rymdens andra universum har helt andra värden på de fundamentala konstanterna, av vilka de flesta utesluter uppkomsten av liv, men vi behöver inte fråga oss varför vi hade sådan tur att vårt är av ett annat slag.

Allt vi kan göra är att utgå ifrån den verklighet vi observerar och arbeta oss bakåt. Precis detsamma, menar Hertog, bör gälla inom kosmologin.

För allt detta redogör Hertog ingående och engagerande, med fylliga bakgrunder från såväl strängteori som partikelfysik som klassisk vetenskapshistoria, och med väl avvägd balans mellan sakkunskap och anekdoter om sin berömde kollega, som boken igenom framträder som ett slagfärdigt orakel. 

Både den eviga inflationens multiversum och den antropiska principen utgör nämligen avstamp för det som ska bli Hawkings och Hertogs projekt, i det att de ställer flera centrala vetenskapliga premisser på sin spets. En har att göra med falsifierbarhet, för en sak vi vet säkert om parallella universum är att de aldrig kommer att vara observerbara, och multiversumhypotesen har av detta skäl utsatts för skarp kritik för att den undergräver en av vetenskaplighetens viktigaste grundvalar.

Men här finns också andra aspekter, bland annat en som gäller synen på naturlagarnas karaktär. Vi vet i dag, argumenterar Hertog, att de flesta av de vi kallar naturlagar är »effektiva lagar«, det vill säga inte eviga och absoluta, utan verksamma under vissa specifika omständigheter som exempelvis en viss temperatur och ett visst tryck. Vi vet också att lagarnas utformning är en evolutionär process i den bemärkelsen att den i avgörande skeenden är slumpstyrd, och därför kunde ha tagit helt andra vägar än den vi nu ser. Kort sagt är – och detta är grundtesen i det synsätt Hawking kommer att beteckna som uppifrån-och-ned – varje försök att förklara universums beskaffenhet med hjälp av dess ursprungstillstånd förfelat, liksom idén om tidlösa och oföränderliga lagar vars verkan bestämmer utvecklingen. Sin skenbara radikalitet till trots präglas multiversumhypotesen och dess antropiska resonemang av båda dessa antaganden, vilket, menar Hertog, gör dem till litet mer än en »epicykel i den newtonska epistemologin«, ungefär som de epicykler som de gamla grekerna en gång fogade till varandra för att rädda den ptolemaiska världsbilden. 

Hur ser då Hawkings och Hertogs motförslag ut? Till att börja med är deras angreppssätt på universums historia ett annat, med fokus på »hur« och inte »varför«. Helt i analogi med det perspektiv som biologer tvingas anlägga på den darwinska evolutionen. Det finns helt enkelt, på grund av processens inneboende slumpmässighet, ingen startpunkt från vilken vi kan härleda alla de former av liv som vi ser omkring oss i dag. Allt vi kan göra är att utgå ifrån den verklighet vi observerar och arbeta oss bakåt. Precis detsamma, menar Hertog, bör gälla inom kosmologin. 

För detta synsätt är kvantmekanikens obestämdhet och slumpnatur återigen avgörande. Det är till och med möjligt att experimentellt fastställa det kontraintuitiva påståendet att observationen i en kvantmekanisk verklighet inte bara bidrar till att skapa nuet, utan också till att – i en oväntat stark bemärkelse – konstituera det förflutna. En vetenskaplig beskrivning som fullt ut tar kvantmekaniken på allvar måste föreställa sig att inte heller universums historia är entydigt bestämd, utan i sin utgångspunkt består av en superposition av olika möjliga skeenden. 

Det verkliga svaret på frågan om alltings början är med andra ord att ju närmare man tittar, desto mindre ser man. Vårt förflutna försvinner i kvantmekanikens existentiella obestämbarhet.

För en intresserad allmänhet är Hawking kanske mest förknippad med sin forskning om svarta hål – han lär ha tillämpat en växelbruksprincip där han vigde vartannat år åt dessa och vartannat åt frågan om universums uppkomst – och i princip alla hans resultat från det senare området tycks befruktade av hans insikter i det förra. Det är också tätt intill de svarta hålen som den slutliga teori som boken utlovar att göra reda för kulminerar, i något som kallas för den holografiska principen. Det rör sig om ett avancerat och synnerligen abstrakt matematiskt resultat, men kontentan är ungefär den följande: i vissa sammanhang kan, precis som i ett hologram, en lägredimensionell yta visa sig innehålla precis samma information som ett högredimensionellt rum. Vad detta bland annat innebär, i synnerhet för en fysiker, är att det är möjligt att röra sig mellan den ena beskrivningen och den andra, så att något som är närmast omöjligt att beräkna i det högredimensionella rummet lätt låter sig lösas ut i en dimension mindre, eller tvärtom. 

Den holografiska principen präglar en stor del av vad vi tror oss veta om de svarta hålen, men i minst lika hög grad det som blev Hawkings sista ord gällande universums ursprung:

Från holografisk synvinkel är det samma sak att gå bakåt i tiden som att ta sig en allt suddigare titt på hologrammet. Man gör sig bokstavligen av med mer och mer information ända tills, tja, man får slut på kvantbitar. Då skulle man nå början.

Det verkliga svaret på frågan om alltings början är med andra ord att ju närmare man tittar, desto mindre ser man. Vårt förflutna försvinner i kvantmekanikens existentiella obestämbarhet.

Om tidens uppkomst är en i många avseenden vetenskapsfilosofiskt driven bok, och det är också det som gör den särskilt läsvärd. Hertog och Hawking formulerar genom författaren en skarp kritik av fysikens klassiska Gudsperspektiv – dess »utsikt från ingenstans« – och insisterar på att både fysik och filosofi bör utgå från människan som en del av universum, inte som en upphöjd varelse utanför det: »Det är«, skriver Hertog apropå detta, »knappast förvånande att en vetenskaplig ontologi som frikopplar oss från de mest fundamentala teorierna om fysiken och kosmologin får det universum som vetenskapen låter oss upptäcka att te sig meningslöst, och dess biofila karaktär att framstå som mystisk och förbryllande«. De vill, som Hawking formulerar det, »sluta leka Gud« och i stället göra en fysik som kan härbärgera människans oupplösliga koppling till kosmos. Mot bakgrund av en sådan programförklaring kan det tyckas som något av en besvikelse att den berättelse om vårt ursprung som till sist blir resultatet är »en allt suddigare titt på hologrammet« – men kanske är det, som så ofta, vägen som är mödan värd.

Vidare läsning

Vår inre apa kan inte rädda oss

Två nya böcker försöker hitta evolutionära förklaringar till människans problem, men landar i helt olika slutsatser. Där den ena finner konkurrens ser den andra samarbete.