“Därför finns någonting snarare än ingenting”

Text av Lawrence M. Krauss

Vetenskapen kan besvara en av filosofins mest gäckande frågor, anser Lawrence Krauss.

Mitt syfte är enkelt. Jag vill visa hur den moderna vetenskapen i olika former kan besvara och faktiskt besvarar frågan om varför något finns, snarare än inget. De svar som vi forskare har nått fram till – både genom svindlande vackra observationer i experiment och genom de teorier som den moderna fysiken till stor del bygger på – tyder alla på att det inte alls är svårt att få fram någonting ur ingenting. Kanske var någonting rentav tvunget att uppstå ur ingenting för att universum skulle bli till. Alla tecken tyder på att universum kan ha uppstått så.

Betoningen ligger här på kan, för vi får kanske aldrig så mycket empirisk information att vi kan ge ett helt entydigt svar. Men utan tvekan är det ett viktigt faktum, åtminstone för mig, att ett universum ur ingenting faktiskt är rimligt.

Under de senaste tjugo åren har en rad spännande utvecklingar inom kosmologin, partikelteorin och gravitationsforskningen gjort att vi nu ser på universum på ett nytt sätt. Det har fått stora och märkvärdiga följder för vår syn på både dess ursprung och dess framtid. Just därför är ingenting särskilt intressant att skriva om just nu.

Samtidigt måste vi vara försiktiga med frågan ”Varför?” inom vetenskapen. När vi frågar ”Varför?” menar vi oftast ”Hur?” Om vi kan svara på det, brukar det vara nog för våra syften. Vi skulle till exempel kunna fråga: ”Varför ligger jorden 150 miljoner kilometer från solen?”, men troligtvis menar vi egentligen ”Hur kommer det sig att jorden ligger 150 miljoner kilometer från solen?” Det vill säga att vi vill veta vilka fysikaliska processer som gjorde att jorden hamnade på sin nuvarande plats. ”Varför?” antyder att det finns en avsikt, och när vi försöker förstå oss på solsystemet ur ett vetenskapligt perspektiv tillskriver vi inte det några avsikter.

Därför tänker jag utgå från att frågan egentligen ska tolkas ”Hur kommer det sig att det finns någonting, snarare än ingenting?”.

För det första vill jag klargöra vilket slags ”ingenting” jag diskuterar just nu. Det är den enklaste formen av ingenting, nämligen tomrum. Jag utgår tills vidare från att rummet finns utan någonting i, och att fysikens lagar också finns. Ett tomrum utan någonting i ligger ganska nära vad Platon och Thomas av Aquino hade i åtanke när de funderade över varför det finns någonting snarare än ingenting.

Tomrummet kan innehålla energi, till och med i frånvaro av strålning och materia. Den allmänna relativitetsteorin säger att tomrummet expanderar exponentiellt, så att alla områden i det unga universum, hur små de än var från början, snabbt skulle bli stora nog att fylla hela vårt synliga universum i dag. Det visar sig att universum skulle kunna ha expanderat till mer än 1028 gånger sin ursprungliga storlek under denna extremt korta period av supersnabb utvidgning, vilken för övrigt kallas inflation.

En grundförutsättning är att universum är ”platt”, vilket våra observationer också har visat. Beroende på hur mycket materia det sammanlagt finns i universum skulle det kunna ha en av tre olika slags geometrier, vilka kallas öppen, sluten respektive platt. Det är svårt att skapa sig en bild av ett krökt tredimensionellt universum, men det är lätt att beskriva vissa aspekter av det. Om man kunde titta tillräckligt långt åt vilket håll som helst i ett slutet universum så skulle man se sin egen nacke.

Även om det kanske låter både lustigt och imponerande med sådana exotiska geometrier har deras existens en mycket viktigare praktisk betydelse. Den allmänna relativitetsteorin säger klart och tydligt att ett slutet universum där energitätheten domineras av materia som stjärnor och galaxer, och även av exotisk mörk materia, så småningom måste kollapsa igen i en process som påminner om en omvänd stor smäll – en stor kross, om man så vill. Ett öppet universum fortsätter däremot utvidga sig i en viss begränsad takt i all evighet, och ett platt universum ligger precis på gränsen och saktar in mer och mer utan att någonsin stanna helt.

Sammanfattningsvis: Observationen att universum är platt och att den lokala newtonska gravitationella energin i allt väsentligt är noll i dag talar mycket starkt för att vårt universum uppstod i en inflationsliknande process, en process där energin hos tomrummet (intet) omvandlas till energin hos något, medan universum förs närmare och närmare ett tillstånd där det är i stort sett helt platt på alla storleksskalor där vi kan observera det. Alltså kan vårt observerbara universum börja som ett mikroskopiskt litet område i rummet, som i allt väsentligt kan vara tomt, och ändå växa till enorma proportioner och så småningom innehålla massor av materia och strålning, tillräckligt mycket för att det ska räcka till allt vi ser omkring oss i dag, utan att det kostar en enda droppe energi!

Det viktigaste i den här korta sammanfattningen av inflationsdynamiken är att något kan uppstå ur tomrum just därför att energin hos tomrummet inte fungerar så som det sunda förnuftet skulle ha fått oss att tro innan vi upptäckte de naturlagar som ligger bakom, inte när gravitationen är med i bilden.

Men ingen har sagt att universum styrs av vad vi här i vår närsynthet och våra obetydliga små skrymslen i tiden och rummet kanske tyckte lät rimligt från början. Visst verkar det rimligt att anta att materia antagligen inte kan uppstå spontant ur tomrum, så att någonting inte kan uppstå ur ingenting i den här bemärkelsen. Tar vi däremot hänsyn till gravitationens och kvantmekanikens dynamik ser vi att denna sundaförnuftsuppfattning inte längre stämmer. Det här är vad som är så underbart med vetenskapen, och det borde inte vara det minsta hotfullt. Vetenskapen tvingar oss helt enkelt att ändra uppfattning om vad som är rimligt för att ge rum åt universum, snarare än tvärtom.

Även om inflationen visar hur tomrum utrustat med energi kan skapa i stort sett allting vi ser omkring oss, och ett platt och ofattbart stort universum därtill, vore det inte riktigt hederligt att påstå att tomrum utrustat med energi som kan driva inflationen verkligen är ingenting. I den bilden måste man anta att tomrummet existerar och kan lagra energi, och man använder fysikens lagar, till exempel den allmänna relativitetsteorin, för att beräkna konsekvenserna. Så om vi stannade där så skulle man med viss rätt kunna hävda att den moderna vetenskapen har långt kvar till ett riktigt svar på frågan hur någonting kan uppstå ur ingenting. Men det här var bara första steget. Vår kunskap växer, och härnäst ska vi få se att inflationen kan bli toppen på ett kosmiskt isberg av ingenting. Tomrummet är komplicerat. Det är en kokande brygd av virtuella partiklar som dyker upp och försvinner igen så fort att vi inte kan observera dem direkt.

Virtuella partiklar ger uttryck för en grundläggande egenskap hos kvantsystem. I hjärtat av kvantmekaniken finns en regel som ibland även styr politiker och höga chefer – allt går för sig så länge ingen ser på. System rör sig ständigt mellan alla möjliga tillstånd, och då och då, om än bara under korta ögonblick, hamnar de även i sådana tillstånd som inte skulle vara tillåtna om systemet faktiskt mättes. Dessa kvantfluktuationer antyder någonting högst väsentligt om kvantvärlden: Ingenting ger alltid upphov till någonting, om än bara för ett ögonblick.

Men däri ligger svårigheten. Lagen om energins bevarande säger att kvantsystem inte kan missköta sig hur länge som helst. Om ett system fluktuerar in i ett av de tillstånd som kräver att det smusslar med sig lite energi från tomrummet, så måste systemet likt en förskingrande börsmäklare lämna tillbaka energin i fråga så snabbt att ingen som mäter systemet hinner upptäcka att den var borta. Därför skulle man kunna tro att detta ”någonting” som kvantfluktuationerna ger upphov till måste vara efemärt – omöjligt att upptäcka i några mätningar, till skillnad från dig eller mig, till exempel, eller jorden vi bor på. Men även denna efemära skapelse måste följa samma regler som allt annat i mätningarna. Tänk till exempel på det elektriska fältet hos någonting som är elektriskt laddat. Fältet är utan tvivel verkligt. Man kan känna den statiska elektriciteten i håret eller se hur en ballong fastnar på väggen. Men enligt kvantelektromagnetismen beror det statiska fältet på att de laddade partiklarna som bidrar till att skapa fältet sänder ut virtuella fotoner vars totala energi är praktiskt taget lika med noll. Eftersom de virtuella partiklarna inte innehåller någon energi kan de fortplantas genom hela universum utan att försvinna igen, och det fält som uppstår när så många av dem överlagras på samma plats är så verkligt att man kan känna det.

Ett av kosmologins tidiga exempel på att ”ingenting” kan vara instabilt och ge upphov till någonting
kommer från försök att förstå varför
vi lever i ett universum som består
av materia. Det här är nog ingenting
du förundras över när du vaknar varje morgon, men det är ett märkvärdigt faktum att vårt universum innehåller materia. Vad som framför allt är märkligt med den saken är att vårt universum, såvitt vi kan avgöra, inte innehåller några större mängder antimateria. Enligt kvantmekaniken och relativitetsteorin måste det finnas antimateria. För varje partikel som vi känner till finns det en motsvarande antipartikel med motsatt elektrisk laddning och lika stor massa. Man kan tycka att varje förnuftigt universum borde börja med lika mycket av båda delarna. Antipartiklar har ju trots allt lika stor massa som vanliga partiklar och liknande egenskaper i övrigt, så om partiklarna skapades tidigt så borde det ha varit lika lätt att skapa antipartiklar.

Alternativt skulle vi till och med kunna föreställa oss ett universum av antimateria, där alla partiklar som bildar stjärnor och galaxer i stället var antipartiklar. Ett sådant universum skulle te sig nästan exakt likadant som det där vi bor. Ett sådant universums rymdforskare (som själva skulle bestå av antimateria) skulle säkert säga ”materia” om det vi kallar ”antimateria”. Namnet är ju godtyckligt.

Men om vårt universum hade börjat på det förnuftiga viset och innehållit lika mycket materia som antimateria, och fortsatt så, så hade vi inte funnits och kunnat fråga ”Varför?” eller ”Hur?” Alla materiepartiklar skulle nämligen ha utplånats tillsammans med alla antimateriepartiklar i det unga universum, så att det bara blev strålning kvar.

På 1970-talet började forskarna emellertid förstå att man kan börja med lika delar materia och antimateria i den stora smällens heta, täta tidiga tillstånd, och att det fanns tänkbara kvantprocesser som skulle kunna ”skapa någonting av ingenting” genom att åstadkomma en liten asymmetri, så att det unga universum ändå innehöll lite mer materia än antimateria. I stället för att materian och antimaterian skulle utplånas helt, så att det bara fanns strålning kvar, skulle all den antimateria som fanns i det unga universum ha utplånats tillsammans med materia, men det lilla överskottet materia skulle inte ha haft någon jämförbar mängd antimateria att utplånas med, så den skulle bli över. Av denna materia skulle sedan alla de stjärnor och galaxer vi ser omkring oss i universum i dag ha bildats.

Därmed kan något som annars inte skulle ses som någon större bedrift (upprättandet av en liten asymmetri tidigt i historien) snarare nästan uppfattas som själva skapelseögonblicket. Så snart det hade bildats en asymmetri mellan materia och antimateria kunde ingenting senare upphäva den. Framtiden med ett universum fyllt av stjärnor och galaxer var i stort sett redan skriven. Antipartiklarna skulle utplånas tillsammans med materiepartiklar tidigt i universums utveckling, och det återstående överskottet materiepartiklar skulle överleva ända in i vår tid och bestämma hur det synliga universum som vi känner och älskar och bor i skulle te sig.

Om det så bara rörde sig om en miljarddels skillnad så skulle det ändå finnas tillräckligt mycket materia kvar för att motsvara allting vi ser i universum i dag. Faktum är att en skillnad på ungefär en miljarddel är precis vad man letade efter. I dag innehåller nämligen den kosmiska mikrovågsbakgrunden så där en miljard gånger fler fotoner än antalet protoner i universum. Enligt den här bilden är fotonerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden en rest från materie–antimaterie-utplåningen strax efter tidernas begynnelse.

För närvarande finns det ingen definitiv beskrivning av hur den här processen i det unga universum skulle ha kunnat gå till, eftersom vi ännu inte helt och hållet har lyckats avgöra empiriskt hur den mikrofysiska världen ser ut på de skalor där asymmetrin bör ha uppstått. Trots detta har en mängd skilda tänkbara scenarier utarbetats utifrån den bästa uppfattning vi har i dag om fysik på sådana skalor. Scenariernas detaljer skiljer sig åt, men de har alla i stort sett samma drag. Kvantprocesser hos elementarpartiklar i det ursprungliga värmebadet kan orubbligt men nästan omärkligt göra ett tomt universum (eller ett universum där det från början råder symmetri mellan materia och antimateria, det gör ingen skillnad) till ett universum som domineras av materia eller antimateria.

Om det kunde ha gått hur som helst, var det då bara ett sammanträffande att vårt universum kom att domineras av materia? Tänk dig att du befinner dig på toppen av ett spetsigt berg, och så snubblar du. Det var inte förutbestämt åt vilket håll du skulle falla. Det var närmast ett sammanträffande, och berodde på vilket håll du var vänd åt eller när under steget du snubblade. Kanske är det ungefär likadant med vårt universum. Även om fysikens lagar är bestämda avgjordes kanske riktningen för asymmetrin mellan antimateria och materia av en slumpmässighet i utgångstillståndet (på samma sätt som gravitationen är bestämd och avgör att du kommer att falla när du snubblar nedför berget, även om riktningen kan vara en tillfällighet). Återigen skulle vår existens som sådan i så fall vara en tillfällighet beroende på omständigheter i omgivningen.

Vad som däremot är helt oberoende av denna osäkerhet är det märkvärdiga faktum att en egenskap hos fysikens lagar kan göra det möjligt för kvantprocesser att föra universum bort från ett formlöst tillstånd. Fysikern Frank Wilczek har beskrivit hur en asymmetri mellan materia och antimateria rimligen skulle ha kunnat uppstå i det unga universum, baserat på ny kunskap inom partikelfysik. Sedan påpekade han att det innebar ett tänkbart svar på frågan om varför någonting finns, snarare än ingenting: ingenting är instabilt.

Frank ville betona att den större mängden materia än antimateria som har mätts upp i universum vid en första anblick kan te sig som ett hinder för att föreställa sig ett universum som skulle kunna uppstå ur en instabilitet i tomrum där själva intet skapar en stor smäll. Men om asymmetrin skulle kunna uppstå dynamiskt efter den stora smällen, så försvinner den barriären.

Stephen Hawking och hans medarbetare Jim Hartle har även de tagit fram ett system för att försöka avgöra ”gränsvillkoren” för ett universum som skulle kunna uppstå ur ingenting alls. De använder helt andra metoder, men här är de viktigaste insikterna hittills:

Inom kvantgravitationen kan olika universum uppstå ur ingenting helt spontant, och gör det faktiskt också alltid. Dessa universum behöver inte vara tomma, utan kan innehålla materia och strålning, så länge den totala energin, inklusive den negativa energi som associeras med gravitation, är lika med noll.

För att slutna universum som skulle kunna bildas av sådana mekanismer ska kunna existera längre än infinitesimalt korta tidrymder krävs någonting i stil med inflation. Det innebär att det enda varaktiga universum som man skulle kunna vänta sig att leva i som följd av ett sådant scenario är ett universum som verkar vara platt i dag, precis som det universum vi lever i.

Det är uppenbart vad vi har att lära av detta: Kvantgravitationen verkar inte bara tillåta universum att skapas ur ingenting – som i detta fall, märk väl, betyder frånvaron av tid och rum – utan den kräver kanske att det händer. Dessutom skulle vi kunna vänta oss att ett sådant universum skulle få samma generella drag som dem vi observerar hos vårt eget universum i dag om det varade tillräckligt länge.

Bevisar detta att vårt universum uppstod ur ingenting? Naturligtvis inte. Men det för oss ett ganska stort steg närmare rimligheten i ett sådant scenario.

Texten är ett sammandrag.