Annons

Helena Granström:För fysiker blir världen bara alltmer gåtfull

Vi vet ofantligt mycket mer om universums beskaffenhet idag än för hundra år sedan, men den moderna fysikens mest avgörande insikt är nog insikten om hur lite vi trots allt vet. I en ny bok beskriver vetenskapsjournalisten Joanna Rose fysikens olösta mysterier – som tycks bli bara fler och fler.

Under strecket
Publicerad

Den moderna fysiken har avlägsnat sig från det observerbaras regioner.

Foto: Ivan Mikhaylov/IBL Bild 1 av 3

Joanna Rose.

Foto: Kuba Rose Bild 2 av 3

Konceptuell fraktalbaserad illustration av materia som försvinner in i ett svart hål.

Foto: SPL/IBL Bild 3 av 3

Den moderna fysiken har avlägsnat sig från det observerbaras regioner.

Foto: Ivan Mikhaylov/IBL Bild 1 av 1
Den moderna fysiken har avlägsnat sig från det observerbaras regioner.
Den moderna fysiken har avlägsnat sig från det observerbaras regioner. Foto: Ivan Mikhaylov/IBL

Det är ett faktum som alltför ofta glöms bort att fysiken aldrig på samma sätt som matematiken kan bevisa sina påståenden. Trots att fysikens teorier är formulerade på matematikens språk, är de två i detta avseende väsensskilda: medan matematiken otvetydigt kan avgöra sanningshalten hos sina egna utsagor, gäller den sanning fysikvetenskaperna söker verkligheten själv, vilket gör uppgiften avsevärt mer ­komplicerad. Ett antagande om världen omkring oss kan aldrig ledas i bevis enbart på logisk väg; det kan endast mätas mot observationer och experiment, och på så sätt antingen avfärdas eller göras alltmer troligt. Med vetenskapens hjälp ställer vi frågor till verkligheten, och använder svaren till att förbättra våra teorier – men på samma gång är det våra teorier som avgör vilka frågor vi ställer, och hur vi tolkar de svar vi får. Sanningen om verklig­heten förblir gäckande, gränsen mellan modellen och det den föreställer aldrig helt och hållet klar.  

Annons
Annons

Om denna och andra utmaningar för det vetenskapliga sökandet handlar vetenskapsjournalisten Joanna Roses nyutkomna bok ”Kosmiskt pussel. Försöken att förstå universum” (Volante), en bok som riktar in sig just på de obesvarade frågor som väckts av den moderna fysikens och kosmologins teorier. Till de mer omhuldade av dessa hör förstås teorin om universums uppkomst i en ursmäll, big bang; en skapelseberättelse vars enkelhet också är dess genialitet. Teorin – ironiskt nog namngiven av den brittiske astronomen Fred Hoyle, som under många år skulle förbli dess mest stridbara belackare – har sedan den först föreslogs på 1920-talet cementerat sin plats som den vedertagna beskrivningen av universums födelse. ­

Sedan dess har den också både kompletterats och ut­vidgats, bland annat genom den så kallade inflationshypotesen som gör gällande att expansionen under ett visst tidsspann i universums tidigaste barndom skedde ofantligt snabbt. Inflationen löser några av de problem som ursprungligen behäftade big bang-modellen – men dras naturligtvis med sina egna. Dessutom har varken mörk materia eller mörk energi någon naturlig plats i big bang-scenariot, och inte heller erbjuder den någon förklaring till hur en ursprunglig balans mellan materia och antimateria kunde resultera i en värld med en uppenbar övervikt av materia, nämligen den vi lever i idag. En än mer grundläggande invändning mot big bang-modellen skulle kunna vara att den möjligen beskriver universums tillblivelse, men knappast förklarar den: hur allting kunde uppstå ur ingenting förblir en gåta.

Annons
Annons

Joanna Rose.

Foto: Kuba Rose Bild 1 av 1

Historiskt sett har samtliga av fysikens teorier så småningom visat sig dölja en underliggande, mer fundamental verklighet, på vars nivå de inte längre är giltiga. Så ger till exempel Newtons teorier, trots att de i de flesta vardagliga sammanhang fungerar utmärkt, en bild av verkligheten som kvantfysik och relativitetsteori demonstrerat är i grundläggande mening felaktig. Att en teori kan producera exakta förutsägelser är i sig ingen garanti för att den representerar verkligheten på ett korrekt sätt – och faktum är att det inte ens finns några garantier för att någon av människan konstruerad modell har förmågan att göra det. Vi kan hoppas att vi en dag ska kunna finna en vetenskaplig teori som står i ett-till-ett-korrespondens med verkligheten; men detta förblir en förhoppning, som kanske aldrig kommer att infrias – och om den infrias, skulle det kunna vara mycket svårt att få det bekräftat.

Hur optimistiskt man ser på frågan har förmodligen en hel del att göra med vilken position man tillskriver den matematik som på samma gång är fysikens redskap och uttryckssätt. I en av bokens mest intressanta passager diskuterar Joanna Rose olika forskares syn på matematikens roll, och vilken bäring de olika hållningarna har på deras föreställningar om fysikvetenskapens möjligheter. 

Joanna Rose.
Joanna Rose. Foto: Kuba Rose
Annons
Annons

Enligt ett sätt att se det är matematiken något som människor upptäckt, snarare än uppfunnit, och det faktum att de matematiska strukturerna har en förmåga inte bara att beskriva, utan också att ge oss ny kunskap om den fysiska verkligheten, ett tecken på att verkligheten till sin essens är i någon bemärkelse matematisk. Om man i stället väljer ett motsatt synsätt, och betraktar matematiken som en alltigenom mänsklig skapelse, blir det som fysikern Eugene Wigner en gång kallade ”matematikens ofattbara förmåga” att beskriva verkligheten möjligen svårare att förklara.

Men inte heller om detta är alla ense: om matematiken är en produkt av våra biologiska hjärnor är den ju också, menar vissa, i någon mening en produkt av, en del av, den fysiska världen – precis som de gasmoln eller planeter, vågrörelser eller atomer som vetenskapen söker förstå. Att ett tankeredskap i denna mening fött ur universum visar sig ovanligt lämpligt för att beskriva detsamma – är det verkligen så förvånande? Kanske inte, och kanske i synnerhet inte om vi också tar i beaktande att vår enda väg till kännedom om världen går igenom våra mänskliga observationer.

Rose beskriver hur frågan om matematikens relation till verkligheten har kommit att bli alltmer central i takt med att fysikens ­abstraktionsgrad successivt har ökat. Medan de fenomen som en Galilei eller en Newton beskrev i sina teorier var direkt ­till­gängliga för de mänskliga sinnena, har den moderna fysiken avlägsnat sig från det erfarbaras regioner. Dess teorier upprättar därmed en sorts egen verklighet, som träder in i stället för den som är och förblir fördold för oss: ”I strängteorin”, hävdar vetenskapsfilosofen Richard ­Dawid i ett samtal med Rose, ”har förhållandet mellan de verkliga objekten och de formler som styr dem helt dunstat av, så vi kan inte längre relatera till de objekt som teorierna beskriver. Det enda som är kvar då är strängarnas matematiska existens.” 

Annons
Annons

Konceptuell fraktalbaserad illustration av materia som försvinner in i ett svart hål.

Foto: SPL/IBL Bild 1 av 1

Strängteorin må vara ett extremt exempel, men det är långtifrån det enda. Kvantmekanikens tillståndsfunktioner är en sorts vågor som rör sig i ett abstrakt rum av möjligheter; samtidigt tycks dessa matematiska vågfunktioner i vissa lägen vara den verkligaste egenskap som en kvantmekanisk partikel kan ha. Kvarkar, de elementarpartiklar av vilka atomkärnans protoner och neutroner antas bestå, kan aldrig observeras direkt, och på grund av de krafter som verkar mellan dem inte heller som enskilda partiklar. Är det då ens i princip möjligt att skilja en kvark från den matematiska beskrivningen av en kvark? 

Konceptuell fraktalbaserad illustration av materia som försvinner in i ett svart hål.
Konceptuell fraktalbaserad illustration av materia som försvinner in i ett svart hål. Foto: SPL/IBL

Utöver grundläggande frågeställningar kring veten­skapens möjligheter erbjuder Roses bok en både tillgänglig och ytterst kunnig genomgång av de mest centrala problemen och resultaten inom fysiken idag. Mörk materia och mörk energi, svarta hål, Higgspartikeln, multiversumhypotesen och den antropiska principen passerar revy, liksom försöken att foga samman fysikens två mest framgångsrika, men inbördes oförenliga, teorier, kvantmekanik och allmän relativitetsteori, till en enda, all­omfattande teori. En sorts standardexposé över den moderna fysikens olösta mysterier, kanske, men som sådan ovanligt väl framställd; delar av den i korthet, andra något mer fylligt. 

Annons
Annons

Bland annat ges läsaren en grundlig introduktion till universums mörka materia och sökandet efter den. Astronomiska observationer visar att galaxer och andra objekt i rymden rör sig på ett sätt som antyder att de innehåller långt mycket mer massa än den som reflekterar eller ­avger ljus, och därmed är synlig för oss. Än så länge är identiteten hos denna materia okänd, och de teoretiska spekulationerna kring den är många: kanske består den av en ny typ av neutrinos utöver de redan kända, så kallade sterila neutriner? Kanske består den av den förutsagda men ännu inte observerade partikeltypen axioner, eller så är dess partiklar i själva verket de supersymmetriska partners till våra kända partiklar som många teoretiska fysiker eftertraktar så hett?

Det finns förstås en liten möjlighet att närvaron av denna främmande materia, vars effekter vi tycker oss observera men som vi inte kan se direkt, i själva verket bara är skenbar; en konsekvens av att de rätta teoretiska redskapen för att beskriva gravitationen på alla relevanta skalor ännu fattas oss. Detsamma skulle kunna gälla den mörka energin, den inneboende anti-gravitationella kraft som dyker upp som en konstant i Einsteins ekvationer, och som tycks vara det som driver universums expansion till att större hastigheter. På samma sätt som existensen av en matematisk singularitet, ett formlernas sammanbrott i oändlighet, i det inre av ett svart hål kanske säger mindre om de svarta hålens faktiska beskaffenhet än om räckvidden hos våra teorier, måste vi alltid vara ödmjuka inför det faktum att såväl vårt sätt att formulera frågor som att tolka deras svar kan vara präglat av otillräcklig kunskap. 

Annons
Annons

Vi vet ofantligt mycket mer idag än för hundra år sedan, men kanske är den moderna fysikens mest avgörande insikt, insikten om hur lite vi vet. Den materia som vi ­består av, och som våra teorier beskriver, utgör mindre än fem procent av universums sammanlagda stoff. Vad resten är, och hur det ska kunna fogas in i teoribygget – om detta är vi ännu okunniga. Fysikens slut har annonserats många gånger, bland annat av Steven Hawking som i ett anförande år 1980 förkunnade att olösta fundamentala problem snart skulle vara en bristvara inom fysiken. Han fick förstås fel, precis som fysikern Albert Michelson som 1894 deklarerade samma sak, strax innan kvantmekanik och relativitetsteori ställde hela fysikvetenskapen på huvudet, med utgångspunkt bland annat i hans egna experiment. 

Joanna Roses bok visar att problemen är minst lika många – och minst lika djupgående – som någonsin ­tidigare. Om de slutligen kommer att kunna ges en lösning vet vi inte, inte heller om vad det är vi i så fall faktiskt vunnit kännedom: om världen i sig, eller om världen så som vi erfar den?

Annons
Annons
Annons
Annons
Annons