Annons

Helena Granström:Gudsperspektiv ger fysiker huvudbry

I försöket att med kvantmekanik och relativitetsteori förklara universum vill fysiker upprätthålla en objektivitet oberoende av den enskilda observatörens lokala perspektiv. I en ny bok ifrågasätter Amanda Gefter möjligheten att uppnå ett sådant utifrånperspektiv.

Under strecket
Publicerad

Amanda Gefter.

Foto: Webb ChappellBild 1 av 1

Amanda Gefter.

Foto: Webb ChappellBild 1 av 1
Amanda Gefter.
Amanda Gefter. Foto: Webb Chappell

Är en elektron en våg eller en partikel? Niels Bohr, en av kvantmekanikens anfäder, besvarade frågan med emfas: Ja! Elektronen, liksom fotonen eller vilket som helst annat kvantmekaniskt objekt, uppträder ibland som en våg och ibland som en partikel – vilket bestäms av kontexten. Elektronen är en våg – eller, den är en partikel. Perspektiven är varandra ute­slutande, och samtidigt kan inget sägas vara sannare än det andra. Inget av dem kan heller sägas vara uttömmande – de är komplementära, i be­märkelsen att de kompletterar varandra.

Distinktionen mellan och och eller är dock högst väsentlig: elektronen uppvisar aldrig samtidigt våg- och partikelegenskaper, utan antingen det ena eller det andra, beroende på i vilken situation vi observerar den. På motsvarande sätt kan en elektron sägas besitta såväl ett välbestämt läge som en välbestämd hastighet – men aldrig på samma gång. Komplementariteten utgör i någon bemärkelse en av kvantmekanikens djupaste konsekvenser, i det att den visar att det vi tidigare uppfattat som objektiva egenskaper hos föremålen för våra mätningar i själva verket måste sägas bestämmas av mätsituationen i sig.

Annons
Annons

En ny form av komplementaritet, intimt sammanbunden med den förra, upptäcktes vid 1990-talets början av bland andra den amerikanske fysikern Leonard Susskind, i samband med studiet av svarta hål och deras informationsinnehåll. När denna de svarta hålens komplementaritet slutligen kunde anses styrkt var det efter en intensiv och långdragen vetenskaplig strid, där Susskinds mest envisa motståndare var fysikern Stephen Hawking. Hawking hävdade att information som passerade in genom det svarta hålets händelsehorisont – den ­radie kring hålets centrum vid vilket gravitationen är så stark att ingenting som passerar in kan slippa ut igen – går förlorad, vilket står i direkt och allvarlig konflikt med en av kvantmekanikens mest cent­rala principer. Susskind, å sin sida, menade att principen om informationens bevarande var alldeles för viktig för att överges – och det enda sättet att värna den, och på samma gång respektera relativitets­teorin, skulle vara att anlägga ett komplementärt perspektiv på skeendet.

Detta skulle dock i sin tur få synnerligen kontraintuitiva konsekvenser: vad det skulle innebära är att en observatör som själv faller genom händelsehorisonten på väg in mot det svarta hålets mitt skulle finna sig passera helt opåverkad, som om denna händelsehorisont var vilket ordinärt stycke rymd som helst. En observatör som betraktade ­hennes passage från en punkt utanför hålet skulle å andra sidan bevittna något fullständigt annat: ­precis vid händelsehorisonten skulle han se den infallande observatören brännas till aska av så kallad Hawkingstrålning, de fotoner och andra partiklar som Steven Hawking tidigare visat emitteras där­ifrån, och hennes informationsinnehåll sändas ut tillsammans med denna strålning.

Annons
Annons

När den amerikanske vetenskapsjournalisten Amanda Gefter skriver om Susskinds hypotes är det inte i första hand informationens bevarande som upptar henne, inte heller det faktum att svarta hål strålar – Gefters fokus är vad denna komplementaritet innebär för materiens, och djupast sett hela universums, ontologiska status. I boken ”Intrång i Einsteins trädgård”, nyligen utkommen på svenska (övers: Pär Svensson; Fri Tanke), låter hon sin egen livshistoria tvinnas samman med den moderna ­fysiken i sökandet efter svaret på frågan: Vad är verkligt? Eller, annorlunda uttryckt: Vilka komponenter i den verklighet vi erfar är helt oberoende av referenssystem eller observationssituation, alltså verkliga i djupaste mening? Utifrån de svarta ­hålens komplementaritet tvingas hon dra en såväl överraskande som oroande slutsats: partiklar är i denna mening inte verkliga, inte heller de partiklar som bygger upp allt det vi kan erfara med våra sinnen. Det som för en observatör ser ut som ljuspartiklar, fotoner, ser för en annan observatör ut som – ingenting.

Trots att svarta hål kan framstå som en synnerligen speciell sättning, visar det sig att denna nya form av komplementaritet kan generaliseras. Vi vet nu att vi lever i ett universum som expanderar med accelererande hastighet, på grund av sitt värde på den kosmologiska konstanten, eller det som brukar kallas för mörk energi. Det innebär att den sfär som rymmer allting som en given observatör kan se ­sakta kommer att bli allt tommare, i takt med att rymden expanderar så att föremål i den kommer allt längre bort. Ju längre bort ett objekt i rymden befinner sig, desto snabbare avlägsnar den sig från oss på grund av rummets utvidgning, och vid någon punkt kommer detta att ske snabbare än ljushastigheten – det som en gång försvunnit bortom en enskild observatörs kosmiska horisont förblir därmed utom räckhåll för alltid.

Annons
Annons

Situationen liknar alltså den i ett inverterat svart hål: vi omges alla av en kosmisk horisont som definierar vad vi i princip kan observera, och precis som objekt som faller in genom det svarta hålets händelsehorisont blir otillgängliga för oss, gäller detsamma de objekt som försvinner bort över denna. Och precis på samma sätt som i fallet med svarta hål ger ekvationerna vid handen att denna kosmiska horisont, som alltså definieras olika för olika observatörer, hyser ett hett skikt som emitterar högenergetiska partiklar, och förbränner allting som kommer i kontakt med den. Betyder det alltså att alla de galaxer som försvinner utom synhåll för oss här på jorden brinner upp? Svaret beror, enligt Susskind, på vem man frågar.

Det observatörsberoende som horisontkomplementariteten ger upphov till är kvalitativt annorlunda än det som präglar Einsteins relativitetsteori. Den speciella relativiteten har som konsekvens att två observatörer inte alltid är eniga om var och när en händelse inträffar – men vad denna nya radikala form av komplementaritet innebär är att de inte ­alltid är eniga om att den inträffar över huvud taget. På senare tid har bilden av vad som sker vid de svarta hålen komplicerats ytterligare av subtila kvantmekaniska effekter, som tycks kunna ge upphov till en så kallad ”brandvägg” strax intill horisonten. Om detta är riktigt skulle det innebära att antagandet om att passagen är omärkbar för den infallande ­observatören behöver omprövas. De ­flesta forskare tycks dock vara överens om att ­komplementariteten består i någon form.

Annons
Annons

Utifrån Gefters ambitiösa frågeställning – Vari består den yttersta verkligheten? – måste detta tolkas som en kraftfull begränsning av vad våra teorier har förmågan att säga oss om världen. Om det komplementära, observatörsberoende perspektivet är giltigt, och kanske det enda giltiga, innebär det att den teoretiska fysiken är tvungen att överge vad Gefter kallar för ”gudsperspektivet”, till förmån för den enskilda observatörens lokala perspektiv. Samtidigt är detta gudsperspektiv, perspektivet utifrån om man så vill, det som fysiken normalt anlägger i syfte att finna en teori om allting; ett ramverk förmöget såväl att förena kvantmekanik och relativitetsteori, som att förklara universums ursprung. Men i en observatörsberoende verklighet finns ingen slutgiltig berättelse om alltings uppkomst, bara en berättelse om hur alltings uppkomst ter sig ur vårt perspektiv.

Fysikern Lee Smolin, vars motto att ingenting ­existerar utanför universum vägleder Gefter genom boken, har i ett annat sammanhang diskuterat en relaterad problematik, vad han kallar ”det kosmo­logiska misstaget”. Vad Smolin avser är fysikers ­vilja att applicera teorier avsedda att beskriva enskilda subsystem av universum – exempelvis ­termodynamiken – på universum som helhet. ­Detta, menar Smolin, är i grunden förfelat, och har lett fram till de paradoxer rörande ”universums osannolika karaktär” som fysiker och kosmologer tampas med idag.

En ledtråd till hur fysiken bör fortskrida härifrån erbjuds möjligen av den italienske fysikern Carlo Rovellis relationella tolkning av kvantmekaniken. Denna gör gällande att det som bestäms i en kvantmekanisk mätning inte kan sägas vara en egenskap hos mätobjektet, utan snarare en egenskap hos relationen mellan mätobjektet och den som mäter – det enda vi kan lära oss något om genom vår interaktion med världen är med andra ord vår interaktion med världen. Givet detta antagande utgör observatörsberoendet inte alls något mysterium – det mystiska skulle väl vara om det vore möjligt att bestämma något om världen oberoende av perspektiv. Rovellis idéer kan inte sägas höra till de gängse tolkningarna av kvantmekaniken, men är förtjänstfulla i så måtto att de förmår att framställa svårbegripliga kvantmekaniska fenomen som icke-lokalitet och vågfunktionens kollaps i nytt och mind­re förbryllande ljus.

Sammanfattningsvis tvingas man konstatera att inget av fysikens enskilda teoretiska ramverk i nu­läget kan göra anspråk på att fullständigt förklara världen, och att i det finns många möjliga sätt att närma sig uppgiften att finna verklighetens yttersta beskaffenhet – en teori, om man så vill, för allt. Gefter dryftar sina funderingar med några av samtidens mest framstående fysiker, men snarare än att ge några slutgiltiga svar, lämnar hennes bok läsaren med en känsla av att de grundläggande premisserna för vårt sökande ännu är oklara. Som den numera bortgångne fysikern John Wheeler, en annan av Gefters främsta samtalspartners i boken, har uttryckt det: ”Frågan är: Vad är frågan?”

Annons
Annons
Annons
Annons
Annons