Hawkings sidste teori

Den berømte fysiker Stephen Hawking døde i 2018.

Men som noget af det sidste fik han udarbejdet en ny teori for universet i samarbejde med en af sine studerende, Thomas Hertog, der nu er professor i teoretisk fysik i Belgien.

Hertog har i bogen ’On the Origin of Time’ beskrevet, hvad man kan kalde Hawkings sidste teori, hvilket Hertog også selv har fortalt om i en artikel, du kan læse her på Videnskab.dk.

Hvis man vil følge den mange år lange skabelsesproces, kan bogen stærkt anbefales. Meget af bogen kan læses uden særlige forudsætninger, men der er steder hvor man skal have en god baggrundsviden for at komme videre.

Vi vil her nøjes med et par højdepunkter.

Hawkings sidste teori - kort fortalt

Teorien beskriver universet som et hologram.

I de hologrammer, vi kender, skabes et 3-D billede ud fra oplysninger lagret på en 2-D skive. Tilsvarende er vores univers med tre rumdimensioner og en tidsdimension skabt ud fra data på en 2-D flade. Det er dog noget mere avanceret end vores egne hologrammer, for vores univers indeholder jo ikke bare billeder, men genstande - lige fra atomer til galakser.

Universet er ifølge denne teori ikke begyndt med et sæt naturlove, som er fulgt lige siden Big Bang. Da universet blev skabt, var der hverken tid eller rum. Begge dele er opstået i Big Bang, og man taler om emergens, altså noget, der opstår undervejs.

Naturlovene har også udviklet sig siden Big Bang, og de er derfor hverken evige eller endegyldige. og det har ført til en næsten biologisk beskrivelse af universet som et selvregulerende system, hvor det bærende princip er evolution, både af naturlove og liv.

Der er tale om en ret abstrakt matematisk model for universet. Modellen om det holografiske univers er ikke bevist forstået på den måde, at der er foretaget sikre observationer, der kun kan forklares, hvis universet virkelig er et hologram – selv om nogle observationer af baggrundsstrålingen kan tyde på det.

Det er nok tvivlsomt, om vi nogensinde får så sikre observationer, men det vigtige er, at Hawking og Hertog betragter universet på en ny måde, som kan bane vejen for ny forskning.

Det holografiske univers

I november 1997 kom en ung fysiker ved navn Juan Maldacena med en ny og meget dristig idé - nemlig at tid og rum er et hologram skabt ud fra et to-dimensionalt hologram, der indeholder alle de informationer, der beskriver vores univers.

Det var dengang en matematisk idé, der ikke engang kunne bevises, og den ville nok hurtigt været glemt, hvis ikke det havde været for blandt andre Stephen Hawking, der var ved at udforske sorte huller samt en uventet matematisk succes.

Det problem, Hawking søgte at løse, var hvor meget information et sort hul kan rumme. I bogen beskrives de temmelig komplicerede argumenter, som Hawking anvendte, men resultatet var, at den mængde information, et sort hul kan rumme, ikke afhænger af hullets rumfang – hvad der havde været meget logisk – men af hullets overflade.

Alle de informationer, der beskriver et sort hul kan altså findes på en 2-dimensional overflade, og det førte til teorien om, at det indre af et sort hul er et 3-D hologram skabt ud fra informationer på overfladen.

Den anden grund til, at den holografiske idé nu er blevet en del af kosmologien, er rent matematisk. Hvis man går ud fra den holografiske idé, bliver alle mulige store fysikproblemer - såsom arten af sorte huller og foreneligheden mellem tyngdekraften og kvantemekanikken - meget lettere at løse.

Kort sagt synes fysikkens love at give mere mening, når de er skrevet i to dimensioner end i tre.

Eller, som fysiker Leonard Susskind udtalte til netmediet VICE i 2015: »Det betragtes ikke som nogle vilde spekulationer blandt de fleste teoretiske fysikere. Holografi er blevet et fungerende, dagligdags værktøj til at løse problemer i fysik.«

Men der er en vigtig skelnen her:

Der er ingen direkte beviser for, at vores univers faktisk er et todimensionelt hologram - at beregninger bliver lettere, er ikke det samme som et matematisk bevis.

Gradvist blev idéen om det holografiske univers videreudviklet, og for at gøre en lang historie kort, så nåede man efter mange års arbejde frem til at anvende hologram-idéen på hele universet.

Det førte til en matematisk model, hvor det univers, vi kender, med tre rumdimensioner og en tidsdimension, er et hologram skabt ud fra en ’overflade’ der rummer alle de nødvendige data. At vi som ’bonus’ har fået tiden med skyldes, at universet udvider sig.

Hertog skriver om dette: »I tilfælde af et univers, der udvider sig, vil [det holografiske princip] føre til, at tiden bliver emergent. Universets historie bliver holografisk kodet.«

Big Bang er en forudsætning for, at tiden kom ind i universet. Uden tid har det ingen mening at tale om begivenheder ’før’ Big Bang, så vi kan ikke tale om skabelse af universet i klassisk forstand.

Informationen i hologrammet er lagret i qubit, som er den kvantemekaniske udgave af almindelige bits, der jo kun kan antage værdierne 0 og 1. Qubits kan repræsentere 0 eller 1 men også på en gang forskellige kombinationer af 0 og 1. Og disse cubits er entangled, eller sammenfiltrede, så de kan påvirke hinanden.

Big Bang-univers

Universet begyndte for 13,8 milliarder år siden med Big Bang, der har ført til, at universet har udvidet sig lige siden.

Big Bang var ikke en eksplosion, der skete i et rum, som allerede eksisterede. Det var en meget mere fundamental begyndelse, hvor både tid og rum blev skabt, og det har, som Hawking skriver, den konsekvens, at man ikke kan tale om en skabelse af universet:

»The Big Bang har ikke en årsag, fordi der ikke er nogen forudgående tid til rådighed for kausalitet at være mulig.«

Da man i 1930'erne var blevet klar over, at universet udvider sig og derfor må have haft en begyndelse, opstod der to synspunkter.

Disse kan, som Hertog skriver, symboliseres ved Einstein og den belgiske præst og astronom Georges Lemaitre, som begge har givet mange betydningsfulde bidrag til den moderne kosmologi.

Einstein står her som en repræsentant for det, man i dag kalder bottom-up kosmologi, hvor man på en måde betragter universet udefra og så opstiller de love, som universet har fulgt siden Big Bang.

Lovene er evige og uforanderlige og gør det i princippet muligt at forudberegne universets fremtid. På en måde er det en meget klassisk idé, der kan føres helt tilbage til Newton.

Bottom-up kosmologien er stadig det, vi bygger på, ikke mindst fordi den fungerer. Således har Einstein jo med sin almene relativitetsteori givet astronomerne et fantastisk værktøj til at forstå universet.

Lemaitre havde et andet synspunkt, nemlig at tiden blev skabt sammen med Big Bang – en teori, Einstein var meget imod, fordi den efter hans mening havde religiøse undertoner.

Nok uretfærdigt, for Lemaitre var god til at adskille religion og videnskab, men det er det synspunkt, Hawking og Hertog bruger til deres teori om det holografiske univers.

Darwin-univers

Hawking og Hertog har udviklet en kosmologi, hvor universet skaber sin egen historie – og sine egne love – efterhånden som det udvikler sig. Man kan sige, at det er en biologisk måde at se universet på, beskrevet ved sætningen: »Det er Darwin hele vejen ned.«

Hertog beskriver det således:

»Går man tilbage til de tidligste tider, bliver lovene simplere - de forskellige kræfter og partikelarter smelter sammen med hinanden. Det centrale er, at denne drift mod mere enkelhed og mindre struktur i det tidligste univers fortsætter, indtil evolutionen til sidst vinder. Ikke lovene, men deres evne til at ændre og udvikle sig, har det sidste ord.«

»Dette er en storslået ny hypotese. Vi siger, at biologisk evolution og kosmologisk evolution ikke er grundlæggende adskilte fænomener, men to vidt forskellige niveauer af et kæmpe evolutionært træ. Biologisk evolution beskæftiger sig med forgreninger i et rige med høj kompleksitet, hvorimod kosmologi og astrofysik beskæftiger sig med lag med lavere kompleksitet.«

Det livsvenlige univers

Et af de helt store problemer i kosmologien er, at universet er næsten for godt til at være sandt. Naturlove og naturkonstanter er i den grad tilpasset, så liv som vores kan opstå og udvikle sig.

Vi giver et par eksempler:

I 2009 opsendte det Europæiske Rumagentur, ESA, en satellit ved navn Planck, som skulle studere den baggrundsstråling som opstod 380.000 år efter Big Bang, og nu kommer til os fra hele himlen som mikrobølgestråling. Da strålingen opstod, var universet stadig 3.000 grader varmt, så strålingen begyndte som infrarød stråling med en bølgelængde på omkring 1.000 nm.

Siden da er universet blevet mere end 1.000 gange større, og det betyder, at vi modtager strålingen ved en 1.000 gange større bølgelængde på omkring 1 mm, altså som mikrobølgestråling ved en temperatur på 2,725 grader.

I 2013 udkom ESA med et kort over denne baggrundsstråling, og det viste sig, at der hen over himlen var ganske små temperaturforskelle, der skal måles i mikrograder.

Men her kom mysteriet:

Hvis der skal dannes stjerner og galakser, er det nødvendigt med små temperaturforskelle, da kolde områder har lettere ved at trække sig sammen til en så stor tæthed, at stjerner og galakser kan dannes.

Hvis temperaturen havde været ens alle vegne, ville universet i dag bare bestå af en uhyre fortyndet gas. Hvis temperaturforskellen havde været bare en smule større end den vi har målt, så ville der hurtigt være dannet en masse sorte huller, og det havde jo ikke været befordrende for liv.

Men hvorfor er temperaturforskellene lige præcis af den størrelse, der gør dannelsen af de stjerner og galakser, som er forudsætningen for liv mulig?

Et andet eksempel: Hvis tyngdekraften var bare en smule stærkere, end den er, så ville en stjerne som Solen lyse stærkere og bruge sit brændstof hurtigere. Solen ville dø, inden livet kunne nå at udvikle sig her på Jorden.

Neutronen er en smule tungere end protonen – helt præcist er neutronmassen 1,0014 gange større end protonens masse. Det betyder, at en neutron kan omdannes til en proton men ikke omvendt. Havde protonen været den tungeste ville protoner hurtigt være forsvundet fra universet fordi de så ville omdannes til neutroner, og dermed ingen brint eller andre grundstoffer. Det ville være et totalt mørkt og dødt univers.

Men det bliver værre endnu: Liv er afhængigt af kulstof, og kulstoffet dannes i stjernerne ved kerneprocesser. Processen ville være umulig, hvis de stærke kernekræfter havde været bare en smule stærkere – og selv i vores livsvenlige univers kan kulstof kun dannes, fordi kulstofatomet har et ganske bestemt energiniveau.

Det var astronomen Fred Hoyle der opdagede dette energiniveau i 1953, og hans kommentar var ’Det er som et super intellekt har pillet ved både fysikkens, kemiens og biologiens love’

Og her har vi så udfordringen: Hvis universet simpelthen er født med et sæt uforandrelige love og naturkonstanter, hvordan kan det så være, at universet virker så ’fine tuned’ for liv?

I den klassiske kosmologi er der tre muligheder:

• Eneste mulige: Af grunde vi ikke kender, er naturlovene de eneste mulige.
• Tilfælde: Det er en ren tilfældighed, at vores univers er så livsvenligt.
• Design: Universet er designet til liv.

Det uforståelige univers

Nu vil man i videnskaben nødigt bruge religiøse argumenter, men i stedet søge efter naturvidenskabelige forklaringer. Om den holografiske teori kan løse dette mysterium, er stadig usikkert, da det på en eller anden måde kræver, at fremtiden kan virke tilbage på fortiden, så naturlovene bliver mere livsvenlige.

Hawking og Hertog giver grundlæggende en kvantemekanisk beskrivelse af universet. Da kvantemekanikken kun angiver muligheder og sandsynligheder, kræver en præcis beskrivelse af universet derfor direkte målinger og observationer.

I kvantemekanikken har observatøren en central rolle. Vi er alle med til i at forme det univers, vi ser ud til at bebo, fordi observationer ’låser’ på en af alle de mulige fortællinger om universet, der potentielt kunne eksistere i et hav af parallelle universer.

Med den vægt der lægges på kvantefysikken, er det ikke noget tilfælde, at Hertog omtaler et klassisk eksperiment, der oprindelig blev foreslået af fysikeren John Wheeler (1911-2008) og som første gang blev udført i 1984. Forsøget går ud på at sende elektroner gennem en dobbeltspalte.

Hvis vi ikke observerer hvilken spalte en elektron går gennem, så går den simpelthen gennem begge spalter (elektroner kan nemlig opføre sig som bølger) og skaber et interferensmønster på en skærm. Hvis vi måler hvilken spalte en elektron passerer, så forsvinder interferensmønstret, og vi får to pletter på skærmen svarende til de to mulige veje. Observationen får simpelthen elektronen til at opføre sig som en partikel, der kun kan gå gennem en spalte.

Men så kan man jo snyde, og vente med at observere til elektronen (eller bølgen) har passeret dobbeltspalten men inden den er nået frem til skærmen. Og det får minsandten elektronen til at opføre sig som en partikel med det resultat, at interferensmønstret forsvinder – også selv om observationerne først foretages når dobbeltspalten er passeret.

I forsøget kan elektronen, når den når fem til dobbeltspalten jo ikke vide, at den bliver observeret senere – men det har åbenbart ingen betydning.

Som Hertog skriver:

»Hvis man ikke observerer fortiden, eksisterer den kun som muligheder, beskrevet ved en bølgefunktion. Virkeligheden skabes først, når der er foretaget en observation, der fastlægger fremtiden. Det virker som en ’baglæns kausalitet’, hvor fremtiden på en eller anden måde kan fastlægge fortiden.«

Men det er dog en konklusion, som langt fra alle godtager. Det hele er så uforståeligt, at vi fristes til at citere Arthur C. Clarkes fremtidsroman ’Fontænerne i Edens Have’.

Her får jorden besøg af en rumsonde fra et fjernt solsystem. Rumsonden Starglider er udstyret med en højt udviklet kunstig intelligens og den vil gerne svare på alle vores spørgsmål. Naturligvis spørger vi også om universets oprindelse, og her er Stargliders svar:

»Min hjemplanet meddelte mig for 456 år siden, at universets oprindelse nu er forklaret, men jeg ikke er besiddelse af kredsløb, der kan forstå forklaringen. De må derfor kommunikere direkte for yderligere oplysninger om sagen.«

Så er det jo lige spørgsmålet, om vi mennesker også har begrænsninger i vores evne til at forstå.

Erfaringen har vist, at matematikken er det sprog, der bedst formidler meget abstrakte idéer. Problemet er bare, at man ikke fuldt ud kan forstå mange af de moderne teorier uden en årelang uddannelse i matematik og fysik.

Hvis ikke abstrakte beregninger kan kobles til observationer eller målinger, så kan fysikken ende med at blive en slags filosofi. Det vil være en sørgelig udvikling, for hele naturvidenskaben er bygget op omkring samspillet mellem teori, målinger og forsøg.