Hvordan kunne Big Bang opstå ud af ingenting?

LÆSERSPØRGSMÅL: Så vidt jeg ved, kommer intet af ingenting. For at noget kan eksistere, skal der være et stof eller en komponent tilgængelig, og for at de er tilgængelige, skal der være noget andet tilgængeligt. Nu mit spørgsmål: Hvor kom stoffet, der skabte Big Bang, fra, og hvad skete der allerførst for at skabe dette materiale?
- Peter, 80, Australien.

»Den sidste stjerne vil langsomt blive afkølet og forsvinde. Så vil universet igen blive et tomrum, uden lys eller liv eller mening.«

Så dyster var fysikeren Brian Coxs forudsigelse i den nylige BBC-serie 'Universe'.

Den sidste stjernes hensvinden vil kun være begyndelsen på en uendelig lang, mørk epoke. Alt stof vil i sidste ende blive fortæret af enorme sorte huller, som igen vil fordampe og svinde ind til de blot er uendeligt fjerne lysglimt.

Rummet vil hele tiden udvide sig , indtil selv det svage lys bliver for spredt til at interagere. Al aktivitet vil ophøre.

Eller vil det? Mærkeligt nok mener nogle kosmologer, at et tidligere, koldt, mørkt, tomt univers som det, der ligger i vores fjerne fremtid, måske var ophav til vores helt eget Big Bang.

Det første stof

Men før vi når så langt, så lad os tage et kig på, hvordan 'materiale' - fysisk stof - først opstod.

Hvis vores mål er at forklare oprindelsen af stabilt stof lavet af atomer eller molekyler, var det bestemt ikke tilstede i tiden omkring Big Bang - heller ikke i flere hundredtusinde år efter.

Vi har faktisk en temmelig detaljeret forståelse af, hvordan de første atomer blev dannet af enklere partikler, da forholdene var kølet nok ned til, at komplekst stof kunne være stabilt, og hvordan disse atomer senere blev smeltet sammen til tungere grundstoffer inde i stjerner.

Men den forståelse adresserer ikke spørgsmålet om, hvorvidt noget kan opstå af ingenting.

Så lad os gå endnu længere tilbage. De første langlivede stofpartikler var protoner og neutroner, som tilsammen udgør atomkernen. De opstod omkring 1/1.000 af et sekund efter Big Bang. Før dette tidspunkt var der vitterligt ikke noget stof i nogen kendt betydning af ordet.

Men fysikken gør os i stand til at gå længere tilbage i tiden – til fysiske processer, der går forud for ethvert stabilt stof.

Det fører os tilbage til den såkaldte 'grand unified-epoke'. Nu bevæger vi os over i spekulativ fysik, da vi ikke kan producere nok energi i vores eksperimenter til at undersøge de processer, der fandt sted på dette tidspunkt. Men en plausibel hypotese er dog, at den fysiske verden bestod af en 'suppe' af kortlivede elementarpartikler – blandt andet kvarker, der udgør byggeklodserne i protoner og neutroner.

Stof og antistof

Der var både stof og antistof i nogenlunde lige store mængder: Hver type stofpartikel, som eksempelvis kvarker, har et antistof-'spejlbillede', der ligner, men er modsat.

Imidlertid kan et stof og et antistof ikke eksistere i nærheden af hinanden – de tilintetgør ('annihilerer') hinanden og omskabes til ren energi, hvilket betyder, at disse partikler konstant blev skabt og ødelagt.

Men hvordan kom disse partikler til at eksistere i første omgang? Kvantefeltteori fortæller os, at selv et vakuum, der angiveligt svarer til tom rumtid, er fuld af fysisk aktivitet i form af energiudsving.

Disse udsving kan give anledning til, at partikler springer ud, for så at forsvinde kort efter. Det kan lyde som en matematisk kuriositet snarere end virkelig fysik, men sådanne partikler er blevet opdaget i utallige eksperimenter.

Rumtidsvakuumtilstanden syder med partikler, der konstant bliver skabt og tilintetgjort, tilsyneladende 'ud af ingenting'. Men måske er det det eneste, det virkelig fortæller os, at kvantevakuumet (på trods af dets navn) er noget andet end ingenting.

Filosoffen David Albert har i en mindeværdig artikel kritiseret beretninger om Big Bang, som lover at skabe noget ud af ingenting på denne måde.

Hvad hvis vi spørger: Hvor kommer selve rumtiden fra?

Så kan vi skrue tiden endnu længere tilbage, helt tilbage til det allerførste brøkdel af en brøkdel af et sekund – den såkaldte 'Planck-epoke' - en så tidlig periode i universets historie, at de fysiske lovmæssigheder brød sammen.

Denne periode indtraf en ti-milliontedel af en trilliontedel af en billiontedel af en billiontedel af et sekund efter Big Bang.

Vores forståelse af rum og tid bryder sammen

På dette tidspunkt blev rum og tid selv underlagt kvanteudsving.

Fysikere arbejder normalt med kvantemekanik, som styrer partiklernes mikroverden, og med generel relativitetsteori, som gælder på store, kosmiske skalaer, hver for sig. Men for virkelig at forstå Planck-epoken har vi brug for en komplet teori om kvantetyngdekraften, der fusionerer de to.

Vi har stadig ikke en perfekt teori om kvantetyngdekraft, men der er gjort forsøg - som strengteori og loop-kvantegravitation. I disse forsøg ses almindelig rum og tid typisk som 'emergent' (fremkommet som et resultat af flere årsager i et sammensat system uden at kunne udledes af de enkelte deles egenskaber, red.) som bølgerne på overfladen af et dybt hav.

Det, vi oplever som rum og tid, er et produkt af kvanteprocesser, der fungerer på et dybere, mikroskopisk niveau - processer, der ikke giver mening for os som skabninger med rod i den makroskopiske verden.

I Planck-epoken bryder vores almindelige forståelse af rum og tid sammen, så vi kan heller ikke længere stole på vores almindelige forståelse af årsag og virkning. På trods af dette beskriver alle nuværende teorier om kvantetyngdekraft noget fysisk, der fandt sted i Planck-epoken; en kvanteforløber for almindeligt rum og tid. Men hvor kom det fra?

Selvom kausalitet ikke længere gælder på nogen almindelig måde, kan det stadig være muligt at forklare en komponent af Planck-epokens univers med andre termer.

Desværre formår selv vores bedste fysiske lovmæssigheder ikke helt at give svar. Indtil vi gør yderligere fremskridt mod en 'teori om alt', vil vi ikke være i stand til at give noget endeligt svar.

Det eneste, vi kan sige med sikkerhed på dette stadie, er, at fysikken indtil videre ikke har fundet bekræftede tilfælde af, at noget er opstået af ingenting.

Cyklusser fra næsten ingenting

For virkelig at besvare spørgsmålet om, hvordan noget kunne opstå af ingenting, er vi være nødt til at forklare kvantetilstanden for hele universet i begyndelsen af Planck-epoken.

Alle forsøg på at gøre det er meget spekulative. Nogle af dem gør brug af overnaturlige kræfter, mens andre forklaringer holder sig inden for fysikkens felt - eksempelvis et multivers, som indeholder et uendeligt antal parallelle universer, eller cykliske modeller af universet, der bliver født igen og igen.

Fysikeren Roger Penrose, som vandt Nobelprisen i 2020, har foreslået en spændende, men kontroversiel model for et cyklisk univers kaldet 'konform cyklisk kosmologi'. Roger Penrose er inspireret af en interessant matematisk forbindelse mellem en meget varm, tæt, lille tilstand af universet - som ved Big Bang - og en ekstrem kold, tom, udvidet tilstand af universet - som det vil se ud i den fjerne fremtid.

Hans radikale teori, som forklarer dette forhold, er, at disse tilstande bliver matematisk identiske, når de skubbes helt til deres grænser.

Selvom det kan virke paradoksalt, kunne et totalt fravær af stof have formået at give anledning til alt det stof, vi ser omkring os i vores univers.

I følge denne opfattelse opstod Big Bang fra næsten ingenting. Det er hvad, der er tilbage, når alt stof i et univers er blevet til sorte huller, som igen er fordampet til fotoner - tabt i et tomrum.

Hele universet opstår altså ud fra noget, der – set fra et andet fysisk perspektiv – er så tæt, som man overhovedet kan komme på ingenting. Men dette intet er stadig en slags noget. Det er stadig et fysisk univers, selvom det er tomt.

Hvordan kan den samme tilstand fra en synsvinkel være et koldt, tomt univers og fra en anden synsvinkel være et varmt tæt univers?

Svaret ligger i en kompleks matematisk procedure kaldet konform afbildning, en vigtig type matematisk afbildning, som er bijektiv og bevarer vinkler, og som kan ændre størrelsen på et objekt uden at ændre dets form.

Roger Penrose viste, hvordan den kolde tætte tilstand og den varme tætte tilstand kan forholde sig til hinanden, så de matcher med hensyn til formerne på deres rumtider - men ikke deres størrelser.

Conformal Cyclic Cosmology

Det er ganske vist svært at forstå, hvordan to objekter kan være identiske på denne måde, når de har forskellige størrelser, men Roger Penrose hævder, at størrelse som koncept ikke giver mening i et så ekstremt fysisk miljø.

Roger Penrose kalder sin teori for Conformal Cyclic Cosmology (CCC), og den går i meget korte træk ud på, at universets historie består af en række æoner, der er lange tidsperioder. Ifølge CCC-modellen skifter det fra gammel og kold til ung og varm: Den varme, tætte tilstand eksisterer på grund af den kolde, tomme tilstand. Men årsagssammenhængen i denne teori er ikke som den plejer, altså en årsag efterfulgt i tid af dens virkning.

Det er ikke kun størrelsen, der holder op med at være relevant i disse ekstreme tilstande: Tiden gør det også. Den kolde, tomme tilstand og den varme, tætte tilstand er faktisk placeret på forskellige tidslinjer.

Den kolde, tomme tilstand ville fortsætte for evigt fra en iagttagers perspektiv i sin egen tidsgeometri, mens den varme, tætte tilstand, den giver anledning til, eksisterer på en helt ny tidslinje.

Det kan hjælpe at se den varme, tætte tilstand, som produceret fra den kolde, tomme tilstand på en ikke-kausal måde. Måske kan vi sige, at den varme, tætte tilstand kommer ud af, eller er funderet på eller realiseret af den kolde, tomme tilstand.

Det er karakteristiske metafysiske teorier, som er blevet udforsket af videnskabsfilosoffer i vid udstrækning, især i forbindelse med kvantetyngdekraften, hvor almindelig årsag og virkning lader til at bryde sammen.

På grænsen af vores viden er det svært at adskille fysik og filosofi.

Eksperimentel evidens?

CCC-modellen giver detaljerede, omend spekulative, svar på spørgsmålet om, hvor Big Bang kom fra.

Men selvom Roger Penroses vision bliver bekræftet af kosmologiens fremtidige udvikling, kan vi måske få en opfattelse af, at vi stadig ikke ville have besvaret et dybere filosofisk spørgsmål: Et spørgsmål om, hvor selve den fysiske virkelighed kom fra.

Hvordan opstod hele systemet af cyklusser?

Så ender vi endelig med spørgsmålet om, hvorfor der er noget og ikke bare ingenting – ét af metafysikkens største spørgsmål.

Men vores fokus her er på forklaringer, som holder sig inden for fysikken. Der er tre overordnede muligheder for det dybere spørgsmål om, hvordan cyklusserne begyndte:

• Måske er der slet ikke nogen fysisk forklaring
• Måske er der uendeligt gentagende cyklusser, hver især et univers i sig selv, med den indledende kvantetilstand for hvert univers forklaret af et eller andet træk ved det forrige univers
• Måske er det én enkelt cyklus og ét enkelt gentagende univers, hvor begyndelsen af cyklussen forklares af et eller andet træk ved dets egen afslutning

De to sidstnævnte tilgange undgår behovet for, at alting skulle blive sat igang af uvedkommende hændelser - og det gør dem meget appellerende.

I så fald ville fysikken kunne forklare alt.

Kan fysikken forklare alt?

Roger Penrose forestiller sig en sekvens af endeløse nye cyklusser, der delvist er knyttet til hans egen foretrukne fortolkning af kvanteteorien.

I kvantemekanikken eksisterer et fysisk system i en superposition af flere forskellige tilstande på samme tid uden at have valgt hvilken én endnu. Den bliver først nødt til at vælge i det øjeblik, man måler på den, og den antager så straks en defineret tilstand.

Ifølge Roger Penrose har hver cyklus tilfældige kvantehændelser, der viser sig på en anden måde, hvilket betyder, at hver cyklus vil adskille sig fra de forrige og de efterfølgende.

Det er faktisk gode nyheder for eksperimentelle fysikere, fordi det muligvis giver os mulighed for at få et glimt af det gamle univers, der gav anledning til vores, gennem svage spor, eller anomalier i den resterende stråling fra Big Bang set af Planck-satellitten.

Roger Penrose og hans samarbejdspartnere mener, at de muligvis allerede har set disse spor. De tilskriver mønstre i Planck-data til stråling fra supermassive sorte huller i det tidligere univers, men deres observationer er blevet udfordret af andre fysikere - juryen voterer stadig.

Endeløse nye cyklusser er nøglen til Roger Penroses egen vision. Men der er en naturlig måde at konvertere CCC-modellen fra en multi-cyklus til en enkelt-cyklus form.

Nyt twist

Så består den fysiske virkelighed i en enkelt cyklus gennem Big Bang til en tom tilstand i en fjern fremtid - og så tilbage igen til det selvsamme Big Bang, der giver anledning til det samme univers igen.

Denne sidstnævnte mulighed er i overensstemmelse med en anden fortolkning af kvantemekanikken, kaldet 'many-worlds'-fortolkning. Fortolkningen af mange verdener fortæller os, at hver gang vi måler et system, der er i superposition, vælger denne måling ikke tilfældigt en tilstand.

I stedet er det måleresultat, vi ser, kun én mulighed – dén, der udspiller sig i vores eget univers. De andre måleresultater udspiller sig alle i andre universer i et multivers, effektivt afskåret fra vores eget.

Så uanset hvor lille sandsynligheden er for, at noget opstår, så opstår det i én eller anden kvanteparallel verden, så længe sandsynligheden ikke er nul.

Der er mennesker, der ligner os derude i andre verdener, som har vundet i lotteriet, eller er blevet suget op i skyerne af en tyfon, eller som er blevet ramt af lynet - eller måske alle tre ting på samme tid.

Nogle mennesker mener, at disse parallelle universer kan observeres i kosmologiske data, som aftryk skabt af et andet univers, der kolliderer med vores. 'Many-worlds'-kvanteteori giver konform cyklisk kosmologi et nyt twist - dog ikke et, som Roger Penrose er enig i.

Vores Big Bang kan være genfødslen af et enkelt kvante-multivers, der indeholder uendeligt mange forskellige universer, der alle forekommer sammen. Alt muligt sker – og det sker igen og igen og igen.

En ældgammel myte

For en videnskabsfilosof er Roger Penroses vision fascinerende.

Det åbner op for nye muligheder for at forklare Big Bang og tager vores forklaringer ud over almindelig årsag og virkning.

Det er derfor en stor test for udforskningen af de forskellige måder, fysik kan forklare vores verden på og fortjener mere opmærksomhed fra filosofferne.

Hvis man elsker myter, er Roger Penroses vision smuk. Roger Penroses foretrukne multicyklusform lover endeløse nye verdener, som opstår af deres forfædres aske.

I sin enkelt-cyklus form er det en slående moderne genpåkaldelse af den ældgamle idé om ouroboros, den mytiske slange, der bider sig selv i halen, som blandt andet bruges som symbol på, at alt er ét.

I nordisk mytologi er Midgårdsormen barn af kæmpen Angrboda og Loke, som er ustadig, upålidelig, intelligent og mangetydig. Midgårdsormen spiser sin egen hale, og cirklen opretholder balancen i verden.

Ouroboros-myten er dokumenteret verden over - så langt tilbage som det gamle Egypten.

Ouroboros i det enkelte, cykliske univers er virkelig majestætisk. I maven ligger vores eget univers såvel som hvert eneste af kvantefysikkens forunderlige og vidunderlige alternative mulige universer. Hvor hoved møder hale, er der fuldstændig tomt, men på samme tid også en masse energi ved mange hundrede tusinde millioner milliarder billioner grader Celsius.

Selv forvandlingsmesteren Loke ville være imponeret.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.