9789113036489

Hur kan en teori fĂśr allting komma ur ingenting?

Av fĂśrfattaren till

Kosmos – en kort historik

Stephen Hawking Den stora planen & Leonard Mlodinow

DEN STORA PLANEN Stephen Hawking & Leonard Mlodinow

Översättning: Margareta Brogren

Norstedts Besöksadress: Tryckerigatan 4 Box 2052 103 12 Stockholm www.norstedts.se Norstedts ingår i Norstedts Förlagsgrupp AB, grundad 1823

© 2010 by Stephen W. Hawking and Leonard Mlodinow och Norstedts, Stockholm 2011 Published in agreement with Writers House and Ia Atterholm Agency, Sweden Originalets titel: The Grand Design Originalförlag: Bantam books Översättning: Margareta Brogren Formgivning: John Hagström Omslag: Miroslav Sokcic Tryckt inom EU Prepress: Fälth & Hässler ISBN 978-91-1-303648-9

Innehåll Varats mysterium 7 Lagbundenhet

13

Verklighet – vad är det?

35

Alternativa historier 57 Teorin för allt 81 Att välja universum 117 Till synes ett underverk 141 Den stora planen 161

Ordlista

173

Författarnas tack 178 Register

180

KAPITEL

1

Varats mysterium

D

en tid vi lever är kort, det vet var och en, och under denna korta stund hinner vi bara utforska en liten del av universum. Men människan som art är ett nyfiket släkte. Vi undrar, vi letar efter svar. I denna enorma värld, ömsom vänligt sinnad, ömsom grym, har människan i alla tider ställt sig en mängd frågor. Hur ska vi förstå den värld där vi befinner oss? Hur fungerar universum? Vad är egentligen verkligheten? Varifrån kommer alltihop? Behövde universum en skapare? De flesta bekymrar sig inte dagligdags över sådana frågor, men ibland dyker de upp och ställer till bekymmer. Nästan alla har någon gång funderat över dem.

Av hävd har filosofin tagit hand om dessa frågor, men filosofin är död. Den har inte följt med utvecklingen inom naturvetenskaperna, särskilt inte fysiken. Forskare inom naturvetenskaperna har tagit över facklan och söker ny kunskap. De upptäcker nytt. Avsikten med vår bok är att lägga fram de svar som vi menar följer av nyare upptäckter och teoretiska framstötar. Vi kommer fram till en helt ny bild av universum och vår egen plats däri, en som är helt olik den traditionella och skiljer sig en hel del från den vi hade bara för något eller några decennier sedan. Men ett nytt verklighetsbegrepp kan, åtminstone på skisstadiet, faktiskt spåras bortåt ett sekel tillbaka.

7

DEN STORA PLANEN Enligt den traditionella uppfattningen om universum rör sig föremål i klart utstakade banor och har ett välbestämt förflutet. Det går att fastställa var de befunnit sig – eller kommer att befinna sig – i varje givet ögonblick. Visst, den beskrivningen räcker i vardagslag, men på 1920-talet fann man att denna ”klassiska” bild av universum inte stämde med hur konstigt saker och ting uppförde sig på atomnivå och nedåt. Det blev nödvändigt att utforma ett nytt ramverk för förståelsen, det vi kallar kvantfysik. Det har visat sig att kvantteorin förvånansvärt väl har kunnat förutsäga händelser på den nivån. Samtidigt bekräftar den, när den tillämpas på vår makroskopiska vardagsvärld, alla de förutsägelser som de gamla klassiska teorierna tillhandahåller. Ändå skiljer sig kvantfysikens och den klassiska fysikens uppfattning i grunden åt beträffande den materiella verkligheten.

Kvantteori kan formuleras på flera olika sätt, men vad som förmodligen är den mest fattbara beskrivningen har införts av Richard (Dick) Feynman (1918–1988), en färgstark forskare som var verksam vid California Institute of Technology och som spelade bongotrummor på nattklubbar längre ned på gatan. Enligt Feynman har varje givet system sin historia, men mer än så – det har alla historier som över huvud taget är möjliga. Vi skall i boken förklara i detalj hur Feynman tänkte, eftersom vi då får hjälp att hitta svar. Vi ska med honom som ciceron undersöka om inte universum självt kanske har mer än en historia. Kanske universum inte ens finns till i någon oberoende mening? Tanken kan verka omstörtande, till och med för många fysiker. Den utmanar det sunda förnuftet, liksom så mycket annat inom den moderna fysiken. Men sunda förnuftet bygger på vardagserfarenheter, inte på universum så som det visar sig vara när vi med

8

VARATS MYSTERIUM våra avancerade tekniska metoder kan blicka in i atomens innersta skrymslen eller utforska universums barndom.

Innan den moderna fysiken gjort sin entré trodde man att all kunskap om vår värld gick att inhämta genom direkta observationer, att allting är sådant vi uppfattar det med våra sinnen. Att det inte förhåller sig så har forskningen framgångsrikt visat, och det med all önskvärd tydlighet. Den forskningen bygger bland annat på Feynmans teorier och begrepp, vilka tycks gå på tvärs med våra vardagliga erfarenheter.

En verklighetsuppfattning som är ”rakt på sak, utan tjafs” går således inte att förena med modern fysik. För att komma till rätta med motsägelsen ska vi utgå från ett förhållningssätt som vi kallar modellberoende realism. Det grundar sig på antagandet att människans hjärna tolkar sinnesintrycken och därav skapar en modell eller bild av världen. Om modellen lyckas förklara de iakttagna skeendena och händelserna brukar vi säga att den, och dess beståndsdelar och begrepp, utgör verkligheten eller är en absolut sanning. Men man kan faktiskt tillämpa olika modeller på samma fysiska skeenden, och varje modell har sin uppsättning byggstenar och begrepp. Om då två fysikaliska teorier eller modeller lika noggrant förutsäger vad som ska hända, kan man inte kalla den ena mer ”sann” eller riktig än den andra; snarare har man då frihet att använda den modell som för tillfället är behändigast och smidigast.

Under vetenskapens långa historia har forskare mejslat fram allt bättre och bättre teorier eller modeller, från Platon via Newtons klassiska gravitationsteori till modern kvantfysik. Naturligtvis frågar man sig om den långa kedjan har en sista länk, en slutgiltig teori för universum som omfattar alla krafter och förutsäger alla observationer som vi någonsin kommer att göra. Eller kommer vi att i all evighet

9

DEN STORA PLANEN fortsätta att utforma nya och bättre teorier – som ständigt går att förbättra något lite till? Än har vi inget slutgiltigt svar på den frågan, men vi har åtminstone en tänkbar kandidat till ”teorin för allting” (om det nu finns någon sådan).

Den kallas M-teorin. Det är faktiskt den enda modell som besitter alla de egenskaper vi menar att en slutgiltig teori bör ha, och det är på den vi hänger upp nästan hela vårt resonemang i boken.

M-teorin är ingen vanlig fysikalisk teori, utan en hel familj av olika teorier som var och en väl beskriver observationerna av en viss begränsad mängd fysiska skeenden.

Teorin påminner om en karta. Alla vet ju att man inte kan visa hela jordytan på en enda karta. Med vanlig Mercatorprojektion blir jordgloben förvriden så att ytorna blir större och större ju närmare man kommer nord- och sydpolen, och man får ingen täckning över själva polerna. En någorlunda naturtrogen kartbild får man bara med en samling mindre kartor över begränsade områden som överlappar varandra och som där, i överlappningarna, uppvisar samma landskap. Så är det också med M-teorin. De olika teorierna i M-familjen kan se väldigt olika ut, men utgör i själva verket skilda aspekter på en och samma grundläggande teori.

Vissa versioner är tillämpbara endast inom vissa områden och under vissa villkor. Någon teori gäller exempelvis enbart när kvantiteterna av energi är liten. Men liksom skalorna sammanfaller på överlappande ställen på kartbilder med Mercatorprojektion, så förutsäger och förklarar de olika versionerna av teorin i sina beröringspunkter samma fenomen. Och liksom den plana kartbilden inte kan återge hela den buktiga jordytan kan inte heller den enskilda teorin förklara och förutsäga alla observationer i alla upptänkliga fall.

10

Världskarta Det kan behövas flera teorier som delvis täcker varandra för att förklara universum, liksom det behövs flera delvis sammanfallande kartor för att täcka hela jordklotet.

Vi vill visa hur M-teorin kan ge oss svar på frågan om världens skapelse. Enligt M-teorin är vårt världsallt inte det enda, tvärtom. Teorin förutsäger att ett mycket stort antal universa skapades ur intet. Detta skapande kräver inget övernaturligt väsen eller någon gud. Mångfalden av universa går utan besvär att härleda ur naturlagarna och är alltså vetenskapliga förutsägelser. Varje universum har då många tänkbara utvecklingshistorier och många möjliga tillstånd att befinna sig i när det har gått så lång tid efter skapelsen som här och nu. De flesta av de många möjliga tillstånden skiljer sig kraftigt från det universum vi kan observera och är helt olämpligt för varje slag av levande liv. Bara ett fåtal universa skulle kunna hysa varelser sådana som vi. Därför

11

DEN STORA PLANEN väljer vi att med vår närvaro hedra bara sådana universa som passar för människan. Vi är små och futtiga jämfört med kosmos, men på sätt och vis är vi alltså skapelsens herrar.

För att förstå universum riktigt på djupet behöver vi veta inte bara hur universum fungerar, utan också varför.

Varför finns det något i stället för inget?

Varför finns vi till?

Varför ser naturlagarna ut som de gör? Skulle det inte gått lika bra med andra?

Så ser ”den yttersta frågan om livet, universum och allting” ut. Den tänker vi försöka besvara här i boken. Till skillnad från svaret i Liftarens guide till galaxen blir det inte ”42”.

12