Tiden 4: Säger fysiken att framtiden redan inträffat?

Står din tvilling verkligen och viker tvätt just nu i ett parallellt universum? Helena Granström funderar över hur fysikens teorier förhåller sig till verkligheten.

Lyssna på alla avsnitt i Sveriges Radios app.

ESSÄ: Detta är en text där skribenten reflekterar över ett ämne eller ett verk. Åsikter som uttrycks är skribentens egna. Essän sändes första gången 2017.

Vill du förstå universums expansion? Föreställ dig en bulldeg.

Degen är späckad med russin och håller som bäst på att jäsa – placera dig nu i ett av dessa russins ställe, och fråga dig vad du ser.

Svaret är oberoende av vilket russin du väljer: Om bulldegen inte är alltför ogenomskinlig, ser du hur alla omkringliggande russin rör sig bort från dig.

Poängen med den här analogin är alltså att alla russin rör sig bort från varandra, men att detta inte beror på att russinen är i rörelse i degen, utan på att själva degen expanderar.

Degen, det vill säga rymden. Russinen, det vill säga galaxerna.

Okej?

Låt oss, när vi ändå är igång, försöka förstå den allmänna relativitetsteorin. Föreställ dig en studsmatta. Visst, där är den, platt och fin. Lägger du till exempel en pingisboll någonstans på ytan ligger den alldeles still. Men! Pröva nu att placera ett bowlingklot i mitten av mattan. Vad händer? Jo, förstås, ytan kommer att bukta nedåt, ungefär som på en skål, och lägger du nu dit en pingisboll kommer den ofrånkomligen att rulla in mot mitten.

Sådärja! Allmän relativitetsteori: Rummet talar om för massa hur den skall röra sig, massa talar om för rummet hur det skall krökas, för att citera den amerikanske fysikern John Wheeler. Faktum är att massa talar om inte bara för rummet utan också för tiden hur den skall krökas – studsmattans tvådimensionella yta i exemplet representerar alltså i själva verket en 3+1-dimensionell rumtid, och någon motsvarighet till den tredje dimensionen som mattan kröker sig i finns egentligen inte. I exemplet med studsmattan är det dessutom gravitationen som drar ned bowlingklotet mot marken och skapar buktningen i gummiytan, och som får pingisbollen att rulla ned längs den. I verkligheten är gravitationen ingenting annat än rumtidens krökning i närvaro av massa – det är alltså ingen annan yttre kraft som får kroppar att söka sig till varandra, bara ett slags minsta motståndets princip hos kroppar i rörelse, och deras egen krökning av rumtidsväven.

Det är någonstans här vi tvingas inse att verkligheten är komplicerad – det som gör den begripliga bilden begriplig, är att den är förenklad.

Richard Feynman, en av 1900-talets främsta fysiker, yttrade en gång sin motvilja mot att likna den elektromagnetiska kraft som skapar attraktion mellan två magneter vid ett gummiband. Visst, den drar ihop dem precis som ett gummiband skulle göra – men, invände han, vad är det egentligen som får ett gummiband att bete sig som ett gummiband? I sista instans, samma elektromagnetiska kraft som vi ville förklara med gummibandsliknelsen – resonemanget går i cirkel!

Är det då ens i princip möjligt att genom enkla bilder förmedla subtila fysikaliska fenomen som rumtidens krökning? Det enkla svaret är förmodligen: Nej, inte utan att tänja på sanningen.

Men hur sanningen faktiskt ser ut är heller inte uppenbart – låt oss ta Einsteins speciella relativitetsteori som exempel. Den här teorin, som är mycket väl bekräftad, framställer rumtiden som en sorts fyrdimensionell limpa, med skivor som var och en svarar mot ett nu. Eftersom olika observatörer definierar sitt nu på olika sätt finns det många sätt att skiva limpan på – och av det skälet gör den här modellen ingen skillnad mellan förflutet och framtid. Men, hur ser egentligen korrespondensen ut mellan den teoretiska modellen och den verklighet den avbildar? Skall det anses fastslaget att framtiden är fullständigt bestämd och existerar i lika hög grad som det förflutna? Eller, är teorin ingenting annat än en användbar bild – en metafor som förmår fånga viktiga aspekter av tillvaron, men inte dess helhet?

Om bulldegen och studsmattan i första hand är oprecisa, pedagogiska liknelser avsedda att förmedla något av fysikens smak och doft till lekmannen, är relativitetsteorin, liksom fysikens övriga modeller, en matematiskt väldefinierad konstruktion, som tillåter oss att träda in i den och därifrån genom beräkningar utvinna ny kunskap om världen; kunskap som sedan kan mätas mot observationer och experiment. Men, bara för att en modell förmår producera korrekta förutsägelser, måste den då vara sann?

Den amerikanske fysikern Murray Gell-Mann fann vid 1960-talets början ett matematiskt argument för att partiklarna i gruppen hadroner, däribland protoner och neutroner, borde vara uppbyggda av mer fundamentala beståndsdelar. Om man antog existensen av sådana partiklar, med laddning av en typ man aldrig tidigare sett, förenklades teori och beräkningar avsevärt. Gell-Mann kallade de hypotetiska partiklarna för kvarkar, ett ord lånat från James Joyces nydanande roman Finnegans wake. Kvark, på engelska quark, inte långt ifrån quirk som i något udda – udda, men likafullt användbart. Och det var också så Gell-Mann själv betraktade sin upptäckt – som ett matematiskt redskap, utan motsvarighet i den fysiska verkligheten. ”Den konkreta kvarkmodellen – den är för dumskallar!”, lär han vid något tillfälle ha slagit fast. Några år senare kom de första experimentella beläggen för kvarkarnas existens från en accelerator i Stanford.

Även med realistens övertygelse om att det finns en objektiv verklighet att upptäcka, inser vi att kunskap om denna verklighet endast kan nå oss genom den mänskliga erfarenhetens raster, om det så är i form av sinnesintryck eller matematik. Hur skall man veta vad som är bild, och vad som är verklighet? Om modellerna är liknelser, exakt vad är det som de efterliknar?

I och med kvantmekanikens framväxt under 1900-talets första hälft, skapades en medvetenhet hos fysikerna om att relationen mellan matematik och naturligt språk, liksom mellan matematik och verklighet, är långt ifrån okomplicerad. Inom kvantfysiken, menade den danske fysikern Niels Bohr, kan språket på sin höjd användas som i diktkonsten. Är partikel en meningsfull bild? Ibland. Är våg en meningsfull bild? Ibland. Är det begreppet ”fält” vi bör använda oss av för att förstå hur krafter och materia interagerar? Tja, vem vet – det har i alla fall hjälpt oss att göra mycket exakta förutsägelser om verkligheten.

Det vardagliga språkets metaforer betonar någon eller några aspekter av det de gestaltar, men utelämnar andra – detta gäller även de matematiska modeller som vi upprättar för att beskriva verkligheten. Matematiken har en anmärkningsvärd förmåga både att beskriva den fysiska världen, och att hjälpa oss finna ny kunskap om den – men den har också förmågan att lika övertygande beskriva världar som bevisligen inte är våra. Kanske är detta något att hålla i minnet, när vi låter ekvationerna leda oss fram till existensen av parallella universum och dolda dimensioner.

Framför allt bör vi minnas det när vi använder kategorier och bilder förankrade i vår sinnliga erfarenhet, för att beskriva de aspekter av verkligheten som undflyr våra sinnen. Som Bohr framhöll kan den språkliga poesin etablera fruktbara associationer och antyda djupa sanningar – men den bör inte alltid läsas bokstavligt. Det finns goda skäl att tro att samma sak gäller för de vetenskapliga modellerna.

Helena Granström, författare med bakgrund inom fysik och matematik