Carlo Rovelli: Syv korte leksjoner i fysikk

Carlo Rovelli

N å

TE

0

23

RN A

SJ

00

O

N A

L

B

2019

IN

www.spartacus.no

syv korte leksjoner i fysikk i N EST or SEL ge GE !

R

syv korte leksjoner i fysikk

«Hvis du som meg er interessert i å skjønne mer av verden og ikke minst kreftene som styrer den, er dette en åpenbaring av en bok, og den er på bare 109 sider. Jeg vil likevel påstå at disse små sidene er mer innholdsrike enn mang en murstein.»

HILDE ØSTBY, AFTENPOSTEN

I S B N 978-82-430-1250-9

Carlo Rovelli

Her, på grensen av det vi vet, foran havet av alt det vi ikke vet, lyser verdens gåte, verdens skjønnhet, og det tar pusten fra oss.

carlo rovelli

Syv korte leksjoner i fysikk

carlo rovelli

Syv korte leksjoner i fysikk Fra de minste partikler til de største galakser oversatt av aleksander melli

Orginalens tittel: Sette brevi lezioni di fisica © Adelphi edizioni S.P.A. Milano, 2014 Norsk utgave © Spartacus Forlag AS, 2016 Utgitt i heftet utgave første gang 2019 Oversettelsen av Lucretius er hentet fra Om tingenes tilstand, oversatt av Trygve Sparre, Aschehoug forlag 1978 Omslag innbundet utgave: Penguin Omslag heftet utgave: Spartacus Forlag AS Sats: Spartacus Forlag AS Trykk: ScandBook Printed in Sweden ISBN innbundet utgave 978-82-430-1055-0 ISBN heftet utgave 978-82-430-1250-9 Utgitt med støtte til oversettelsen fra Det italienske utenriks- og bistandsdepartementet. Questo libro è stato tradotto grazie ad un contributo alla traduzione assegnato dal Ministero degli Affari Esteri e della Cooperazione internazionale italiano.

Det må ikke kopieres fra denne bok, i strid med åndsverksloven eller i strid med avtaler inngått med KOPINOR. SPARTACUS FORLAG AS Pb. 6673 St. Olavs plass 0129 Oslo www.spartacus.no

Innhold Forord 7 første leksjon Den vakreste teorien 11 andre leksjon Kvantene 25 tredje leksjon Universets arkitektur 37 fjerde leksjon Partikler 49 femte leksjon Romsløyfer 59 sjette leksjon Sannsynligheten, tiden og varmen i sorte hull 73 til slutt Oss 91

forord

Forord Disse leksjonene ble skrevet for dem som har lite eller ingen forhåndskunnskap om den moderne vitenskapen. Til sammen gir de et raskt overblikk over noen av de viktigste og mest fascinerende aspektene ved den store revolusjonen som fant sted i det tjuende århundrets fysikk, med særlig vekt på spørsmålene og gåtene som denne revolusjonen åpnet. For selv om vitenskapen gir oss nøkler til å forstå verden bedre, antyder den også hvor enormt mye vi ennå ikke vet.

Den første leksjonen er viet Albert Einsteins generelle relativitetsteori, «den vakreste 7

forord

teorien». Den andre handler om kvantemekanikken, som favner noen av den moderne fysikkens mest urovekkende aspekter. Den tredje tar for seg kosmos – hvordan universet vi lever i, er bygget opp. Den fjerde handler om elementærpartikler. Den femte, om kvantegravitasjonen, altså om det pågående arbeidet med å sette sammen en syntese av det tjuende århundrets store oppdagelser. Den sjette handler om sannsynlighet, og om varmen i sorte hull. Avslutningsvis, i den siste delen av boken, vender vi tilbake til oss selv og spør hvordan vi skal se for oss vår egen rolle og plass i den underlige verdenen fysikken beskriver.

Leksjonene er basert på en artikkelserie publisert i søndagsbilaget til avisen Sole 24 Ore. Forfatteren vil rette en spesiell takk til Armando Massarenti, som skal ha æren for å ha gitt vitenskapen plass på søndagsavisens kultursider, og dermed framhevet dens rolle som en vital og nødvendig del av kulturen.

8

første leksjon

Den vakreste teorien Som ungdom drev Albert Einstein dank på skolen i et helt år. Sløser man ikke bort tiden, kommer man ingen vei – dette er noe ungdomsforeldre dessverre har lett for å glemme. Han bodde i Pavia, i Italia. Han hadde reist tilbake til familien sin etter å ha sluttet på skolen i Tyskland, der han ikke lenger taklet de harde kravene på gymnaset. Det var begynnelsen av århundret og begynnelsen på Italias industrielle revolusjon. Faren, som var ingeniør, jobbet med å installere de første elektrisitetsverkene på Den lombardiske slette. Albert leste Kant og fulgte 11

første leksjon

forelesninger på universitetet i Pavia – uten å være immatrikulert eller ta noen eksamener, men gjorde det på fritiden og for moro skyld.

Det er slik man for alvor gjør vitenskapsmann av seg.

Senere begynte han på universitetet i Zürich og fordypet seg i fysikk. Noen få år etter universitetet, i 1905, sendte han tre artikler til datidens viktigste vitenskapelige tidsskrift, Annalen der Physik. Hver av de tre artiklene var en Nobelpris verdig. Den første påviste at atomer virkelig finnes. Den andre åpnet døren for kvantemekanikken, som jeg skal fortelle om i neste leksjon. Den tredje presenterte hans første relativitetsteori (som i dag blir kalt «Den spesielle relativitetsteorien»), teorien som forklarer at tiden ikke er lik for alle: To tvillinger vil ikke være jevngamle hvis en av dem har reist i ekstremt høy hastighet.

Brått blir Einstein en anerkjent vitenskapsmann og mottar jobbtilbud fra flere universiteter.

Men det er noe som gnager i ham: Relativitetsteorien hans, feiret som den blir, stemmer ikke overens med det vi vet om tyngdekraften, altså 12

Den vakreste teorien

om hvordan tingene faller. Han innser det mens han gjennomgår sin egen teori til en ny artikkel, og spør seg om den ærverdige, gamle «universelle tyngdekraften», etablert av fysikkens far, Newton, ikke egentlig også burde revideres for å gjøre den kompatibel med den nye relativiteten.

Han fordyper seg i problemet. Det skal gå ti hele år før han løser det. Ti år med heftige studier, forvirring, prøving og feiling, ideer og artikler som ender i blindspor, store åpenbaringer og store feil. Til slutt, i november 1915, publiserer han en artikkel som presenterer en helhetlig løsning: en ny teori om tyngdekraften, som han gir navnet «Den generelle relativitetsteorien» – mesterverket hans. «Den vakreste av de eksisterende fysiske teorier,» som den store russiske fysikeren Lev Landau kalte den.

Det finnes absolutte mesterverk som beveger oss dypt, som Mozarts Rekviem, Odysseen, Det sixtinske kapell, Kong Lear … Å forstå hvor praktfulle de er, kan kreve en viss læretid. Men belønningen er den rene skjønnhet. Og ikke bare det: Vi belønnes også med nye øyne, en ny måte 13

første leksjon

å se verden på. Den generelle relativitetsteorien, Einsteins juvel, er et slikt mesterverk.

Jeg husker hvor beveget jeg ble da jeg første gang begynte å forstå noe av den. Det var sommeren før sisteåret på universitetet. Jeg befant meg på en strand i Calabria, i Condofuri, under det hellenske Middelhavets sol. Det er alltid lettest å studere i feriene, fordi man slipper å bli distrahert av eksamener og forelesninger. Margene i boken jeg leste i, var gnagd i filler av mus, for jeg hadde brukt boken til å stenge de stakkars smågnagernes reder om nettene, i det forfalne, hippieaktige huset i de umbriske åsene der jeg søkte tilflukt fra de kjedelige forelesningene i Bologna. Fra tid til annen løftet jeg blikket opp fra boken for å kikke på det skinnende havet: Det var som å se rommets og tidens krumning slik Einstein hadde forestilt seg dem.

Det var magisk – som om en venn hadde hvisket en forbløffende, skjult sannhet i øret mitt, løftet sløret vekk fra virkeligheten og avdekket en enklere, dypere verdensorden. Helt siden vi forsto at jorden er rund og snurrer rundt 14

Den vakreste teorien

sin egen akse som en snurrebass, har vi visst at virkeligheten ikke er slik den ser ut for det blotte øye – og hver gang vi får et glimt av en ny bit, er det overveldende. Et nytt slør som faller.

Men av alle de store sprangene vi har gjort i vår viten, den ene etter den andre i historiens løp, er Einsteins trolig helt uten like. Hvorfor det? For det første, fordi så snart man forstår hvordan den fungerer, er teorien så enkel at den tar pusten fra deg. La oss oppsummere den: Newton prøvde å forklare årsaken til at ting faller og planeter går i bane. Han forestilte seg en «kraft» som trekker alle legemer mot hverandre, og kalte den «tyngdekraften». Hvordan denne kraften skulle klare å utøve en dragning på ting som befinner seg langt borte fra hverandre, uten at det finnes noe imellom dem, var det ikke mulig å bringe på det rene, og vitenskapens store far var forsiktig med å våge seg på en hypotese. Newton så også for seg at legemer beveger seg i et rom han betraktet som en stor, tom beholder, en stor eske til universet. Et umåtelig stort rammeverk der gjenstander beveger seg i rette linjer, helt til en 15

første leksjon

kraft får dem til å bøye av. Hva dette «rommet», denne universelle beholderen oppfunnet av Newton, besto av, var det heller ikke mulig å vite.

Men noen få år før Albert ble født, tilføyde to store, britiske fysikere, Faraday og Maxwell, en ny ingrediens til Newtons kalde verden: Det elektromagnetiske feltet. Feltet er en reell størrelse som brer seg overalt, bærer radiobølger, fyller rommet, vibrerer og bølger som havoverflaten og «transporterer» elektrisk energi.

Helt siden ungdommmen var Einstein fascinert av det elektromagnetiske feltet, som fikk rotorene i elektrisitetsverkene faren bygget til å snurre rundt og rundt, og han forsto ganske snart at tyngdekraften, som elektrisiteten, også måtte være båret av et felt: Det måtte finnes et «gravitasjonsfelt» som tilsvarte det «elektriske feltet», altså prøvde han å forstå hvordan dette «gravitasjonsfeltet» var laget og hva slags likninger som kunne beskrive det.

Og det var da den banebrytende ideen oppsto, den rene genistreken: Gravitasjonsfeltet er ikke spredt rundt i rommet; gravitasjonsfeltet er 16

Den vakreste teorien

rommet. Dette er ideen som danner utgangspunktet for Den generelle relativitetsteorien.

Newtons «rom», som tingene beveger seg rundt i, og «gravitasjonsfeltet», som bærer tyngdekraften, er en og samme ting.

Det var som en åpenbaring. En radikal forenkling av verden: Rommet er ikke lenger noe som er atskilt fra materien, men en av verdens «materielle» bestanddeler. En bestanddel som bølger, bøyer seg, krummer seg og vrir seg. Vi er ikke omgitt av et usynlig, stivt stillasverk, men nedsunket i et gigantisk og fleksibelt bløtdyr.

Solen bøyer rommet rundt seg, og jorden går ikke i bane rundt solen fordi den blir tiltrukket av en mystisk kraft, men fordi den beveger seg rett fram i et krumt verdensrom. Som en ball i en trakt: Den ruller ikke rundt og rundt på grunn av mystiske «krefter» generert i traktens midte, men fordi traktens vegger er krumme.

Ting faller og planetene kretser rundt solen fordi rommet krummer seg.

Hvordan beskrive rommets krumning? 1800tallets største matematiker, Carl Friedrich Gauss, 17

første leksjon

«matematikkens prins», skrev i sin tid matematikken som beskriver todimensjonale, krumme flater, som for eksempel bakkenes overflater. Så ba han en begavet student generalisere beskrivelsen slik at den også omfattet krumme rom med tre eller flere dimensjoner. Studenten, Bernhard Riemann, arbeidet fram en vektig doktorgradsavhandling, ett av disse akademiske verkene som ved første øyekast kan synes komplett unyttige.

Men resultatet var at egenskapene til et krumt rom ble formulert med et bestemt matematisk objekt, som vi i dag kaller Riemannsk krumning og betegner med en R. Einstein skrev en likning som sier at R er proporsjonal med materiens energi. Det vil si at rommet krummer seg der hvor det finnes materie. Og det er alt. Likningen får plass på en halv linje. En visjon – rommets krumning – og en likning.

Men den lille likningen rommer et umåtelig stort univers. Og det er her teoriens magiske rikdom åpenbarer seg. For selv om dens prediksjoner kan framstå som blendverk, en gal manns delirier, har de alle i tidens fylde blitt verifisert.

18

Foto: BASSO CANNARSA

carlo rovelli (f. 1956) er en italiensk forsker og forfatter. Han har utgitt en rekke bøker, og er som teoretisk fysiker spesielt opptatt av rom og tid.