Den teoretiske fysikken er ikke bare abstrakte temaer for eksperter. Den handler også om verden slik den eksisterer rundt oss. Ravanis illustrerer det gjennom refleksjoner rundt hverdagslige situasjoner og opplevelser, som det å lengte etter noen, å bli forelsket eller å føle andres blikk på seg selv. Skjønnheten i kaos er et litterært forsøk på å forstå det vakre i kaoset som preger den moderne fysikken. «Vi trenger flere stemmer som Julia Ravanis: kunnskapsrike, entusiastiske, nerdete og sjenerøse. Skjønnheten i kaos er en svært vellykket debut.» Göteborgs-Posten
isbn 978-82-430-1465-7
www.spartacus.no
2022
Skjønnheten i kaos
«Hennes velskrevne bok må gjerne inspirere flere eksperter til å skrive lett om tunge temaer.» Expressen
Foto: Frida Winter
Julia Ravanis’ kritikerroste debutbok tar den teoretiske fysikken ned på jorden ved å sammenligne den med våre menneskelige erfaringer. Hun bruker personlige og idéhistoriske betraktninger til å forklare sorte hull, sammenflettede elektroner og strengteori.
J U LIA RA VA NIS
«Det er en rik, vidunderlig bok, fylt av menneskelig varme i et avkjølende univers.» Aftonbladet
Julia Ravanis
SKJØNN H E T E N I K A O S •
Julia Ravanis (f. 1993) har studert idéhistorie og teknisk fysikk, og tar en doktorgrad i teknikkhistorie ved Chalmers tekniska högskola i Göteborg. Skjønnheten i kaos er hennes debutbok.
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 2
10/03/2022 11:52
Julia Ravanis
SKJØNNHETEN I KAOS Oversatt av Aleksander Melli
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 3
10/03/2022 11:52
Skjønnheten i kaos © Spartacus Forlag AS, 2022 Originalens tittel: Skönheten i kaos © Julia Ravanis, 2021 Først utgitt av Natur & Kultur. Utgitt etter avtale med Albatros Agency, Sverige Omslagsdesign: Lukas Lehner, Forlagstjenester Sats: Punktum forlagstjenester Satt med Garamond Premier Pro 11/14 Papir: Munken Print Cream 100 g Trykk: Scandbook Printed in EU ISBN 978-82-430-1465-7 Boken er oversatt med støtte fra Nordisk ministerråd.
Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverkloven eller i strid med avtaler inngått med KOPINOR.
SPARTACUS FORLAG AS P.B. 6673 St. Olavs plass, 0129 OSLO spartacus.no
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 4
10/03/2022 11:52
Innhold
Kapittel 1
Hvitt kritt, svart rom
7
Kapittel 2
Når solstrålene stivner
15
Kapittel 3
Pappfigurer på grensen til nervesammenbrudd
33
Kapittel 4
Forelskelse og terningspill
55
Kapittel 5
Et lite stykke gjensidighet
75
Kapittel 6
Falne korthus og flakkende molekyler
99
Kapittel 7
Inne i mørket
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 5
123
10/03/2022 11:52
Kapittel 8
Drømmen om å unnslippe virkeligheten
141
Kapittel 9
De ustyrlige tallene
157
Takk
173
Videre lesning
175
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 6
10/03/2022 11:52
Kapittel 1
Hvitt kritt, svart rom Der fortellingen begynner
Da jeg en solrik septembermorgen for noen år siden gikk opp trappene til fysikkbygget på Chalmers-universitetet, følte jeg meg håpefull. Jeg var på vei til en introduksjonsforelesning i kvantefysikk og tenkte at jeg nå sto foran et vendepunkt. Fysikken skulle ikke lenger bestå av usammenhengende fysiske lover eller regneoppgaver som behandler kronglete mekaniske innretninger. Fra nå av skulle jeg beskjeftige meg med tiden, rommet og universet. Etter tre års fysikkstudier var jeg endelig klar til å forstå hvordan verden henger sammen. Jeg ble skuffet. På tidligere kurs hadde forelesningenes endeløse rekker av likninger vært forankret i hverdagslige hendelser, men nå ble virkeligheten overhodet ikke nevnt. Likningene var alt. Tomheten dette medførte, fikk meg til å ville løpe fra forelesningssalen og aldri komme tilbake. For det var ikke bare matematisk forståelse jeg søkte, men også en slags mening. Kanskje er det derfor så mange har 7
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 7
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
vanskelig for å forstå den teoretiske fysikken, fordi den later til å mangle mening. Når den skal formidles som annet enn likninger, blir det ofte med mystiske, drømmeaktige formuleringer – populærvitenskapelige bøker om teoretisk fysikk renner over av referanser til historier som Alice i eventyrland. I Hollywood-filmer forklares alt fra portaler mellom ulike verdener til telepatiske beskjeder med en kjapp fysikkreferanse. Kvantefysikk og relativitetsteori – de grunnleggende fysiske teoriene som beskriver universets henholdsvis minste og største bestanddeler – synes altså å være enten strengt matematiske eller drømmeaktig mystiske, og i begge tilfeller vanskelige å forholde seg til. Både en likning og en fortelling får mening av en menneskelig tolkning som setter den inn i en større sammenheng og forklarer plassen den har der, budskapet. Likningene som beskriver den teoretiske fysikken, gjør det godt, de danner sammenhengende systemer som kan brukes til å forutsi eksperimenter og utvikle magnetresonanssystemer, GPS-teknologi og en masse annet. Men på egen hånd formidler ikke slike likninger et budskap, og det var nettopp et budskap jeg søkte. Et verdensbilde. Det var derfor jeg i utgangspunktet ble interessert i fysikk: fordi den tilbød en virkelighetsforankring for matematikken. Men da også fysikken ble altfor abstrakt, følte jeg meg klar for å forlate den. Dens sannhetskrav, som jeg tidligere hadde sett opp til – løftet om å finne eksakte svar på alle slags hverdagslige spørsmål ved hjelp av matematikken –, forstyrret meg. De egenskapene ved fysikken som gjør slike eksakte svar mulig, utelukker samtidig så mange viktige spørsmål og konflikter. Matematikken kan verken løse eksistensielle problemer eller motivere politisk stillingstaken; fysikkens 8
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 8
10/03/2022 11:52
Hvitt kritt, svart rom
mest hyllede teorier bryr seg ikke engang om å forklare den konkrete hverdagen. Samtidig er det jo nettopp det fysikken gjør: Den forteller om verden. Newtons lover beskriver verden slik den framsto for meg da jeg var yngre – en stein som kastes fra strandkanten, kommer til å falle ned i havet, dens bevegelser kan forutsies til fulle. Det finnes ingen plass til magi eller subjektivitet; ethvert problem som oppstår, kan løses. Senere innså jeg gradvis at det ikke stemmer. For naturligvis kan bare de aller færreste problemer løses, i beste fall kan man leve med dem. Jo mer jeg lærer om noe, desto mer komplekst virker det. Mønstre jeg trodde jeg hadde fått øye på, forsvinner, logikken svikter, alt oppfører seg ulikt fra ulike perspektiver. Det er en slik verden den moderne teoretiske fysikken beskriver. For det finnes både et budskap og et verdensbilde i kvante fysikken og relativitetsteorien. Det er bare vanskelig å finne dem blant alle tallene og all mystikken. Denne boken er min tolkning av den teoretiske fysikkens budskap. Det har bare vært mulig å gjøre dette ved at jeg har forholdt meg til, og forsøkt å forstå, meg selv. Meg selv gjennom likningene – min egen lengsel og angst.
• Den moderne fysikkens verdensbilde inneholder mange analogier til kunst og humaniora, på en måte Newtons mekaniske tannhjulsunivers ikke helt gjør. I kvantefysikken viskes grensene ut, sikkerhet glir over i tvetydighet, noe som også vanligvis er tilfellet når følelser eller kunstopplevelser skal beskrives. Relativitetsteorien beskriver et demokratisk univers som det er umulig å forholde seg objektivt til, et univers der ingen posisjon er overordnet en annen, og der helheten 9
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 9
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
kun kan oppleves innenfra. Den moderne fysikkens verden er full av svimlende nærvær betraktet på avstand og en palett av sammensmeltede farger sett på kloss hold, akkurat som et av Monets malerier.
• En roman og en teori i fundamental fysikk er egentlig ikke så forskjellige som de kan virke. Begge forsøker i bunn og grunn å fortelle noe om virkeligheten, og begge inspirerer sine lesere ved å vekke forundring overfor denne virkeligheten. Begge vurderes også etter sin skjønnhet – i romanens tilfelle skjønnheten i språket, komposisjonen og fortellingen, i den fysiske teoriens tilfelle skjønnheten i matematikken, symmetrien og fullstendigheten. For å verdsette skjønnheten kreves det imidlertid at leseren klarer å dra nytte av uttrykksmiddelet. Kan man ikke språket, er boken bare en samling ord, kan man ikke matematikken, er likningene bare en samling tegn. Det krever øvelse å oppfatte alle subtile nyanser i både språket og matematikken, men det gir uttelling – et minustegn kan forvandle universet fra en vislende ballong til en evig bølgende duk, akkurat slik en endring i verbets tidsform kan forvandle et nostalgisk minne til en pågående kjærlighetsaffære.1 Det som anses som vakkert i en fysisk teori og i en roman, skiller seg imidlertid fra hverandre. Den teoretiske fysikken hylles for å være allmenngyldig og evig, en perfekt orden som er hevet over hverdagens forgjengelige mangfold. En 1 Forskjellen mellom de Sitter-metrikken, som beskriver et lukket, sfærisk univers (ballongen), og anti-de Sitter-metrikken, som beskriver et åpent, sadelliknende univers (duken), er et minustegn.
10
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 10
10/03/2022 11:52
Hvitt kritt, svart rom
roman har andre skjønnhetskrav: Den forsøker å fange noe menneskelig, noe som ganske riktig kan deles av mange, men som tross alt per definisjon er mangetydig og partikulært. Rent matematisk er kvantefysikken vakker ifølge den første definisjonen, men når man prøver å sette ord på den, er det ofte i poesiens dunkle formuleringer man ender opp. Jeg synes det er de mangetydige tolkningene snarere enn de allmenngyldige likningene som gjør den moderne fysikken vakker. Tvetydighet og forgjengelighet er vanskelig å håndtere, både i fysikken og i livet, men de forvandler det trivielle og stillestående til noe dynamisk og meningsfullt. De gjør fysikken til noe man kan kjenne seg igjen i. Innsikten om at den moderne fysikken har kunstneriske og menneskelige elementer, hindret meg i å løpe fra forelesningssalen på Chalmers og oppgi fysikken i affekt. Dermed ble den også lettere å forstå. For ifølge kvantef ysikken flyr et elektron både framover og bakover samtidig – dersom partikkelen sammenliknes med en stein som suser gjennom luften, blir påstanden så kryptisk at den kunne ha kommet fra Hattemakeren i Alice i eventyrland. Dersom partikkelen i stedet sammenliknes med et menneske i en komplisert relasjon, trenger vi ikke oppgi alle våre hverdagslige erfaringer og kaste oss ned i Alices kaninhull: I sitt indre kan et menneske bevege seg mot en elsket person og samtidig i frustrasjon være på vei bort fra forholdet. Innbyrdes motsetninger er en like naturlig del av psykologien som av kvantefysikken. Når fysikken slippes ut av sitt språklige fengsel og får låne ord og uttrykk fra andre områder, inngår den i en større sammenheng som gir rom for nye tolkninger. Men å overskride grensene mellom naturvitenskap og samfunnsvitenskap er ikke helt risikofritt. 11
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 11
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
Ofte er det menneskelige blitt beskrevet ved hjelp av naturvitenskapelige begreper og fenomener: Våre kropper er avanserte maskiner, våre samfunn utvikler seg i samsvar med en evolusjonær kamp for overlevelse, vår arts historie er en flyt av informasjon og energi i konstant endring. Alle metaforer belyser noen aspekter av det de skal beskrive, og skjuler andre – fysiologiske grunner til et menneskes tilstand settes i relieff når kroppen sammenliknes med en maskin, mens sosiale og psykologiske årsakssammenhenger overses. Det som ikke får plass i slike metaforer, risikerer å bli avfeid som uviktig, eller, siden det er naturvitenskapen som byr på liknelsene, unaturlig. Mange mennesker har lidd fordi deres livsvalg og identiteter – å overskride det som forbindes med ens biologiske kjønn, for eksempel – er blitt fortiet av metaforer hentet fra naturvitenskapen og forkastet fordi de ikke blir ansett som naturlige. I denne boken vil jeg utforske parallellene mellom fysikken og livet, uten å slå fast at livet er på en bestemt måte. Metaforene belyser mangfoldet av tolkninger, i stedet for å opphøye én på bekostning av alle andre. Samtidig er dette min tolkning. Den er preget av mitt liv: nysgjerrigheten jeg siden jeg var barn, har følt over universets grunnleggende mekanismer; diskusjonene i lunsjpausene på Chalmers, eller etter seminarene i idéhistorie på Kellys i Andre Långgatan i Göteborg; alle bøkene jeg er blitt inspirert av, og mennesker jeg har elsket. Dette er en bok om de delene av fysikken som betyr noe for meg, som jeg synes er vakre. Det er en bok om relativitetsteorien, som beskriver alle tings avhengighet av hvor i verden de befinner seg. Om stjernelyset som bærer på tiden som har gått, og de svarte hullene som stille vokter sine hemmeligheter i galaksenes 12
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 12
10/03/2022 11:52
Hvitt kritt, svart rom
midtpunkt. Om kvantefysikken, som lar de små usikker hetene bygges sammen til de store selvfølgelighetene – en stein som er kastet fra strandkanten, beveger seg som den gjør, ikke fordi Newton utviklet sin andre lov, men fordi partiklene steinen består av, som alle besitter den kvantefysiske friheten av å kunne fly i den retningen de vil, er så mange at den totale sannsynligheten for hvilken vei de skal velge, konsentreres så kraftig rundt den vanligste banen at alle andre alternativer ekspederes til drømmens verden.2 Ett kapittel handler om universets utvikling fra orden til uorden, som jeg synes speiler menneskets forgjengelighet på en fin måte og oppsummerer det vakre, men også skremmende i både kvantefysikken og relativitetsteorien. Et annet tar opp mørk materie og mørk energi, verdensrommets mest unnvikende fenomener, som er ansvarlige for både universets tilblivelse og forfall. Det gjennomgående temaet er fysikkens og matematikkens forhold til virkeligheten: skjønnheten som oppstår når de møter den mangetydige menneskelige hverdagen.
• Astronomen Vera Rubin, som med sine målinger av galaksers rotasjon påviste eksistensen av mørk materie i universet, har i et intervju fortalt at hun neppe ville ha brukt livet sitt på galakser – og måttet holde ut alt det en kvinne i et mannsdominert yrke er nødt til å holde ut – hvis hun ikke hadde syntes at galakser var så vakre. Jeg tror det stemmer for flere 2 Virkningsprinsippet som alle bevegelseslikninger utledes fra (blant annet Newtons andre lov), skyldes sannsynlighetsfordelingen over kvantepartiklenes bølgefunksjoner. Prinsippet tilsier at bevegelsen skjer langs den banen der virkningen er stasjonær, dvs. stabil.
13
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 13
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
enn henne – skjønnhet gir en følelse av mening. Akkurat som Vera Rubin har jeg alltid vært tiltrukket av det vakre i fysikken. Men den teoretiske fysikkens likninger er ikke tilstrekkelig vakre til å gi meg den svimlende følelsen av nærvær og tilhørighet som jeg kan få av å se på en stjernehimmel, et kunstverk eller et elsket ansikt. I Peter Høegs roman Frøken Smillas fornemmelse for snø er det en passasje der hovedpersonen Smilla går gjennom de ulike tallene i matematikkens tallsystem og sammenlikner dem med menneskelig bevissthet på ulike nivåer. Mens hun snakker, går hun midt ut i rommet, siden hun føler at det hun skal si, er så viktig: Ordene må få plass i rommet, hun må få forklare seg, og personen hun forklarer for, må forstå. Dette er mitt skritt ut i midten av rommet. Min søken etter skjønnheten og meningen i fysikken, etter den sammenflettingen mellom naturvitenskapen og det menneskelige som jeg er overbevist om finnes.
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 14
10/03/2022 11:52
Kapittel 2
Når solstrålene stivner Der stjernelyset knytter fortiden sammen med nået og tiden mellom dem skifter takt
Skulle det sitte noen akkurat nå på en planet i bane rundt en fjern stjerne og se på jorden, så ville de ikke se oss. Et vesen fra stjernebildet Orion kunne ha kikket ned på jorden med et stort teleskop uten å se smeltende polaris eller storbyer i form av glitrende flekker. I stedet ville det ha sett planeten vår slik den så ut i tidlig middelalder. Kanskje ville det ha kunnet skimte noen av antikkens sju underverk: fyrtårnet på Faros eller mausoleet i Halikarnassos, bygninger som for lengst har forsvunnet for oss.3 3 Det hadde den neppe, for diameteren på teleskopets linse som kreves for å få en oppløsning på 1 meter med en avstand på 1350 lysår (avstanden mellom Orion-stjernetåken og jorden), er under optimale tekniske forhold opp mot 10 milliarder kilometer, en linse nesten dobbelt så stor som avstanden mellom solen og Pluto. Men man kan jo fantasere.
15
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 15
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
Lyset bruker 1350 år på sin reise mellom jorden og Orion- stjernetåken, gasskyen der nye stjerner fødes som ligger i midten av Orions sverd. Stjernelyset vi ser fra de skinnende små flekkene på himmelen som er døpt etter en jeger i gresk mytologi, vitner derfor om svunne tider. Å se på stjernene er å se tusenvis eller millioner av år tilbake i tid. Også å myse mot solen er å se tilbake i tiden; det har tatt solstrålene åtte minutter å fly hit til jorden. Lyset rekker å tilbakelegge en avstand tilsvarende sju og en halv runde rundt jorden, 300 000 km, på ett sekund. Lysets hastighet er alltid den samme, ingenting kan bevege seg fortere enn det. Lysets hastighet er som en magisk grense. Umerkelig i hverdagen, siden den er så stor at den ikke oppleves som en hastighet i det hele tatt. Lyset later ikke til å bevege seg, det later bare til å finnes. Vi åpner øynene, og vi ser. Likevel er det som skjer på et fysisk nivå, faktisk det motsatte: Det eneste lyset gjør, er å bevege seg. Det lyset som ikke beveger seg, eksisterer ikke. Lys er ren energi. Det er derfor det er den raskeste budbringeren som finnes. Lyset veier ingenting, har ingen kropp å drasse rundt på. Tyngde motarbeider bevegelse – den som jogger med stappfull ryggsekk, orker ikke å løpe like fort som den som gjør det uten oppakning. Det er vanskelig å rikke på en kampestein, men lett å sette fart på en kule. Lyset er som små kuler som ikke veier noe som helst. Små kuler, små vibrasjoner, som ruller over verdensrommets svarte gulv i full fart uten å tynges av noe. Det lyset har med seg, er bilder, lyspunkter som sammen forteller om det som har skjedd i universet: hvordan Orion- stjernetåken så ut for 1350 år siden; hvordan Saturns ringer så ut for en time og elleve minutter siden; hvordan månens 16
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 16
10/03/2022 11:52
Når solstrålene stivner
kratre så ut for et sekund siden. Selve lysstrålene stormer ensomme fram i mørket uten å forstyrres av beskjeder om at saker og ting har endret seg. Ingen tidsmarkører innhenter det, og uten kropp eldes det ikke. For lyset eksisterer ingen tid – fra lysstrålenes perspektiv blir de til i samme øyeblikk som vi fornemmer dem, som om ingen tid har gått mellom begynnelsen og slutten på reisen deres fra et sted til et annet i universet. I antikken beskrev Platon tiden som evighetens avbildning. Ifølge Platon var evigheten det uoppnåelige idealet som på jorden bare kunne imiteres av den bevegelsen framover som vi kaller tid. Men egentlig er det lyset som er evighetens avbildning, grensetilstanden der klokkene står stille, der tiden dør.
• Tid og energi er sammenvevd, de utfyller, men utelukker samtidig hverandre, den ene hele tiden avhengig av den andre. I den teoretiske fysikken er energi et mål på hvor mye som kan skje innenfor et visst tidsrom.4 For en lyd- eller lysbølge regnes energien i svingninger per sekund – jo flere, desto høyere, lysere toner eller mer energirikt og blåere lys. Når jeg føler meg energisk, står jeg opp ganske raskt om morgenen. Kanskje rydder jeg unna klærne som ligger slengt på gulvet, setter på radioen, børster håret, koker kaffe. Så jobber jeg: leser artikler, svarer på e-post, krysser av punkt etter punkt på gjøremålslisten. Etter arbeidsdagen regner jeg 4 Energi er i kvantemekanikken et tidsderivat som virker på det fysiske systemet, det vil si noe som medfører en forandring i systemets tidsutvikling.
17
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 17
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
sammen mine utførte gjøremål og føler meg beroliget av alt jeg har rukket over. Siden jeg har en jobb som tillater det, kan jeg de dagene jeg ikke føler meg energisk, velge å bli liggende i sengen. Slumre i en time eller to. Til slutt står jeg opp, kikker giddeløst gjennom e-posten, skummer uengasjert gjennom artiklene. Etter en slik arbeidsdag føler jeg meg rastløs og urolig. Energi er ofte et mål på hvor mye arbeid som kan utføres. Det har sine historiske årsaker: Da den industrielle revolusjonen omdefinerte menneskelig arbeid, ble metaforer fra fysikken brukt for å rettferdiggjøre utnyttelsen av arbeidere. I fysikken kalles den energien som er brukbar i en motor, for arbeid. Dette var den eneste nyttige energien for dem som eide maskinene under den industrielle revolusjonen, og energien ble nødt til å symbolisere den eneste nyttige menneskelige anstrengelsen for dem som ikke eide maskiner – lønnet arbeid. Energi skulle omdannes til arbeid, alt annet ville ha vært sløsing av verdifull energi som gikk til spille. Det er slik fysikken forklarer en dampmaskins virkning, og det er fortsatt slik mennesker hovedsakelig blir vurdert. Fritidsaktiviteter er drivstoff for neste dags arbeid, ikke verdt noe i seg selv. Vi spiser og samler krefter for å holde oss pigge på jobben. Men energi rommer mye mer enn bare arbeid i den teoretiske fysikken – på et grunnleggende plan får begrepet energi mening ikke av dampmaskiner eller elmotorer, men av et begrenset tidsintervall. For å måle en lydbølges energi kreves en tidsangivelse – hvor mange ganger per sekund vibrerer luften? For at jeg skal kunne vurdere arbeidet mitt, kreves det at arbeidsøkten er definert, avsluttet. At det har fulgt hverdagens tidsrytme. I stedet for at jeg har rukket over mye 18
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 18
10/03/2022 11:52
Når solstrålene stivner
takket være et energisk humør, vil produktiviteten skyldes at arbeidet har fått ta tilstrekkelig lang tid. Noen ganger føles en formiddag uvanlig lang. Som om tiden går langsommere enn på de stressede dagene når morgenen knapt rekker å begynne før det er lunsj. Det rolige tempoet gjør at jeg rekker over mye. Lyset er som en superproduktiv kollega som alltid har slike formiddager – som rekker over mer enn noen andre, siden lyset fra alle andres perspektiver har uendelig med tid.
• Energiendringene i en dampmaskin eller en elmotor går bare én vei, fra drivstoff til nyttig bevegelse til spillvarme. Så fyller vi på med nytt drivstoff, siden spillvarmen ikke brukes til noe. Men spillvarme er tross alt også energi. Drivstoffet brenner opp, renner ut, tar før eller siden slutt, men energien ødelegges aldri, den bytter bare form. Kjemisk energi i kull eller olje omdannes til bevegelsesenergi i motoren og til varme som smelter snøen på veiene og dermed vender tilbake til naturens kretsløp. Også materien – snøen, kullet, asfalten – er grunnleggende uforgjengelig. Den kan bli ubrukelig, som slaps i en snøballkrig eller en haug aske på grillen som ingen klarer å tenne. Men snø som blir til vann, eller kull som forbrennes til aske, er fortsatt materie, som i likhet med energien bare bytter form. På begynnelsen av 1900-tallet satt en ung mann ved et lite skrivebord på patentverket i Bern og funderte på energiens og materiens former. Siden han hadde forsømt studiene og dermed ikke klarte å skaffe seg den universitetsstillingen han egentlig ville ha, skrapte Albert Einstein sammen pengene 19
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 19
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
familielivet krevde, ved å vurdere nye oppfinnelser.5 Mange var påståtte evighetsmaskiner som skulle fortsette å tikke og gå for alltid ved å omdanne energi på sinnrikt vis. Det var ikke spesielt vanskelig å avvise slike patentsøk nader. De fleste energiformer er umulige å temme i en maskin – siden energiendringene i maskiner bare går én vei: En motor sluker drivstoff og må hele tiden fylles på for å produsere sin høyst spesifikke, nyttige effekt, helt til det ikke er noe igjen å fylle på med. Skal en energiomformer vare evig, kan den umulig være en maskin. Altså var ikke patentsøknadene spesielt vellykkede til industriell bruk, men var det derimot på et vitenskapelig plan: De ga 1900-tallets mest fantasifulle vitenskapsmann inspirasjon. I 1905 formulerte Einstein ideen om at energi og materie har en felles natur. Alle ting burde kunne eksplodere i energi, all energi stivne til materie. Og det som regulerer den prosessen, er lysets hastighet – materie med en viss masse blir først likestilt med energi når den multipliseres to ganger med lysets hastighet (dens kvadrat). Slik lyder Einsteins mest berømte likning: E = mc2. Igjen denne mystiske lyshastigheten. Den utgjør en ytterste grense for hvor fort noe kan bevege seg, siden lyset selv ikke veier noe, og ingen del av dets energi hviler i et legeme. Dessuten utgjør lysets hastighet en grense for hvilken kapasitet noe har som i utgangspunktet er urørlig, altså for hvor mye energi som ligger innebygget i fast materie. 5 Einsteins daværende kone, matematikeren Mileva Marić, krevde imidlertid ikke bare å bli forsørget, men diskuterte vitenskapelige ideer med Einstein og bidro til hans teoribygging. Mer om dette i neste kapittel.
20
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 20
10/03/2022 11:52
Når solstrålene stivner
Lysets hastighet i andre potens – c2 – betegner det ufattelig store tallet 9 × 1016 m2/s2. Det kreves svært mye energi for å danne materie – kveldssolen som strømmer inn gjennom det åpne kjøkkenvinduet, stivner ikke til en gyllen klump. Omdannelsen den andre veien, når materien går over i energi, er mer dramatisk. 6. august 1945 eksploderte 55 kilo uran over Hiroshima og drepte 100 000 mennesker på et øyeblikk, i perfekt samsvar med Einsteins likning. Det er en forferdelig visualisering av hvor stort det mystiske tegnet c2 er: Det gir en 55 kilo tung klump makt til å drepe 100 000 mennesker.
• Selv om det var Einstein som førte inn lysets hastighet i dets mest spektakulære sammenheng, var det en annen fysiker som fant dets matematiske opphav. Det skjedde ganske tilfeldig. James Clerk Maxwell, som levde i Storbritannia på 1800-tallet, ble berømte for fire likninger som til sammen beskriver hvordan elektrisitet og magnetisme oppfører seg i verdensrommet. I disse likningene dukket det opp en konstant som viste seg å ha samme enhet og samme verdi som den eksperimentelt målte lyshastigheten i vakuum. Maxwell konstaterte at elektrisitet og magnetisme surfer gjennom verdensrommet på et hav av elektromagnetiske bølger, inkludert det synlige lyset. Bølgenes hastighet er en naturkonstant som aldri endrer verdi, og som betinges av tomhetens egenskaper, av verdensrommets evne til å romme den kraften som mer enn noen annen symboliserer energi: elektrisiteten. 40 år etter at Maxwell tilfeldigvis oppdaget denne konstanten i sine likninger, skulle den på egen hånd komme til å endre forståelsen av hva tid er. 21
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 21
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
Lysets hastighet utgjør nemlig fundamentet for hele Einsteins relativitetsteori – en teori som radikalt endret beskrivelsen av tiden, rommet og himmellegemenes bevegelse gjennom rommet. I 1905 publiserte Einstein teoriens første del, som bidro med en ny forståelse av tiden: den spesielle relativitetsteorien, som omhandler objekter som beveger seg med konstant hastighet. Ti år senere utvidet Einstein denne til den generelle relativitetsteorien, som endret forståelsen av rommet ved også å innbefatte objekter med varierende bevegelse. Sammen utgjorde disse to delene et nytt naturvitenskapelig verdensbilde som forklarte hvordan universet er konstruert, hvorfor materien i verdensrommet beveger seg som den gjør, og hva tid og rom faktisk er. Einsteins storslåtte teorier begynte som en fundering over tiden. På skrivebordet hans lå ikke bare tegninger av påståtte evighetsmaskiner, men også alle slags konstruksjoner av klokker som skulle møte det skrikende behovet for samtidighet i fabrikker og på togstasjoner. Den gangen opererte de fleste byer fremdeles med ulike tider – klokkene ble stilt etter astronomiske målinger som varierte fra by til by –, men da damplokomotivene begynte å frakte passasjervogner mellom byene, fungerte ikke det lenger. Folk kom for sent til stasjonen, eller for tidlig. Det hendte at mennesker døde når togene kolliderte siden vogner fra ulike byer regnet tiden på ulike måter. Så der satt den unge Albert Einstein, sta og overbevist om sin egen begavelse, og funderte over et felles holdepunkt for alle disse ulike tidene. Han kom fram til at lyset var det eneste man kunne stole på – lyset beveger seg tross alt alltid like fort. Einstein var en praktisk mann, han hadde hjulpet onkelen sin på verkstedet siden han var liten, og hadde ingen problemer med å lage radioapparater eller konstruere flygende 22
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 22
10/03/2022 11:52
Når solstrålene stivner
drager til barna. Gjennom hele livet skulle han bruke tanke eksperimenter og enkle mekaniske konstruksjoner for å bevise og utvikle teoriene sine. Tankeeksperimentet som førte til at Einstein tolket tidens natur på nytt, ser slik ut: To personer bestemmer seg for å måle lysets hastighet. Den ene står på bakken, den andre beveger seg med jevn hastighet, for eksempel med tog. Togpassasjeren står med ryggen til døren i vognens ene ende, tenner en lommelykt på et gitt klokkeslett og noterer seg tidspunktet da lysflekken dukker opp på døren i vognens andre ende. Så går den reisende langs vognkorridoren i hele dens lengde for å måle strekningen som lyset har reist. Den som observerer det hele utenfra, måler også tiden mellom øyeblikket da lommelykten ble tent, til lysflekken dukket opp på døren, samt avstanden som lyset har tilbakelagt. Men i målingen sin inkluderer observatøren også den avstanden som toget har rullet, siden lysstrålen – observert utenfra – har blitt med toget et stykke mot reisemålet. Den som tar toget, og den som står på bakken og betrakter toget, noterer ulike distanser. Det i seg selv er ikke det minste rart: Hadde togpassasjeren kastet en ball gjennom togvognen, ville også den ha tilbakelagt ulike distanser for ulike betraktere. Begge observatører ville ha kunnet enes om at ballens ferd tok en bestemt tid, og så kunne de ha regnet ut ulike hastigheter ved å dele sine respektive distanser på den samme tiden. Den som står stille, ville ha regnet seg fram til en høyere hastighet enn togpassasjeren, siden ballen fra det stillestående perspektivet ville ha rukket å tilbakelegge en lengre distanse i løpet av tidsintervallet. Men når ballen forvandles til en lysstråle, blir det annerledes. Siden lyset alltid har samme hastighet, kan farten måles 23
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 23
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
under hvilke omstendigheter som helst uten noensinne å endre verdi. Måler to observatører ulike distanser, må de derfor også måle ulike tider – akkurat så ulike at lysets hastighet forblir konstant. Den som står stille, måler en lengre strekning og må derfor måle et lengre tidsrom mellom lysets startøyeblikk og sluttøyeblikk enn det den som reiser med toget, gjør. De vil ikke kunne enes om noe felles tidsintervall for lysets ferd. Forskjellen i tid er umulig å måle på et tog, den er altfor liten. Men det var prinsippet Einstein var ute etter: Mellom et gitt startpunkt og et gitt endepunkt går det mer tid for den som står stille, enn for den som beveger seg. Flere sekunder tikker forbi, tiden går raskere. Siden observatørene ikke er enige om distansen, kan de heller ikke være enige om tiden. Klokkene deres går i ulik takt. Lysets konstante hastighet er det faste holdepunktet som splitter opp alle holdepunkter. Tiden er ikke allmenngyldig, den er relativ. Det er dette den første delen av Einsteins relativitetsteori viser: Når tog eller andre objekter beveger seg i en konstant hastighet, forandres tidens gang relativt til dem som står stille. Egentlig er det en ganske velkjent følelse at tiden beveger seg i ulik fart i ulike sammenhenger. På en morsom fest synes jeg for eksempel at antallet timer mellom klokken 22 og 02 føles som langt færre enn fire. Jeg er dårlig på å sjekke mobilen – mange er nettene der jeg har ramlet hjem uti de små timer i troen på at det overhodet ikke var så sent. Uttrykket «tiden går fort når man har det gøy», er en konsekvens av at mennesker ser på klokken. For egentlig oppleves tiden langsom når man har det gøy – etter fire timer på fest, når klokken er to, føles det som om man så vidt har kommet i gang. Som at det ikke har gått mange timer i det hele tatt. 24
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 24
10/03/2022 11:52
Når solstrålene stivner
Alene hjemme i sengen, mens man venter på partneren sin som er på festen, oppleves samme antall timer som betydelig flere enn fire. Det føles som om det har gått en evighet til nøkkelen vris om i låsen, og den berusede forvisser en med mislykket lavmælthet om at den ensomme ventingen er over. Uten klokker ville flere være ha vært enige med Einstein: Tiden går fortere for den som ligger stille i sengen, enn for den som danser. Men det finnes en forskjell i størrelsesskala mellom denne typen eksempler og dem som faktisk er blitt utført og bevist gjennom Einsteins tankeeksperiment. Det er først når forskjellen i bevegelse mellom de to observatørene utgjør en merkbar andel av lyshets hastighet at tidsforskyvningen blir påtakelig, og så raskt danser ingen. I alle fall ikke noe menneske. Myoner, for eksempel, partikler som er omtrent som elektroner, bare tyngre, regner ned på jorden fra Melkeveiens kosmiske stråling i en hastighet nær lysets. Den veldig korte livstiden myonene har igjen når de møter jordens materie, strekker ikke til for at de skal kunne komme seg særlig langt. Likevel viser eksperimentene at de gjør det, siden de beveger seg så fort at tiden går cirka åtte ganger saktere for dem enn for oss. Universet kompenserer for myonenes verden av forholdsvis korte togvogner ved å la deres tidsintervaller ha veldig få og veldig lange sekunder. Det vi rekker på åtte sekunder, rekker de på ett sekund.6 Hadde en romrakett kunnet bevege seg like fort som myonene, i 99 prosent av lysets hastighet, ville romfarerne i den ha kunnet være borte fra jorden i åtte år og så komme 6 En myons gjennomsnittlig livstid er 2,4 mikrosekunder (10-6 s), så ingen av dem lever særlig lenge. Men deres relativt sett forlengede livstid er fastslått eksperimentelt, se Frisch-Smiths eksperiment.
25
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 25
10/03/2022 11:52
skjønnheten i kaos
hjem igjen med kun ett års opplevelser. De sju forsvunne årene hadde satt sine spor i de pårørendes ansikter, men ikke i deres. Relativitetsteorien er ikke en livseliksir – de reisende hadde ikke levd bortgjemt som onde hekser på en diett av foryngende oppkok i åtte år og deretter trådt ut i verden uten antydning til rynker – men en fast-forward-knapp. I stedet for å følge de sju årene med hendelser på jorden på avstand hadde romfarerne bare spolet forbi dem. Det finnes ingen astronaut som har vært med på noe slikt. Etter seks måneder på den internasjonale romstasjonen ISS, som beveger seg i 7,7 km per sekund, har astronautene eldes fem millisekunder mindre enn oss som ventet på jorden. Einsteins relativitetsteori er ikke spesielt spektakulær i praksis. Men på et teoretisk plan forandret den tiden: stjal dens allmenngyldighet, splittet opp dens enhet, tøylet dens overjordiske vyer og forankret den i ting og hendelser, i det som lever, hviler, beveger seg.
• For Einstein var denne radikale omtolkningen av tidens natur en logisk konsekvens av hans to grunnforutsetninger: for det første at lyset beveger seg med en konstant hastighet i vakuum, for det andre at det ikke holder med en privilegert observatør som kan bevise de rådende teoriene, men at alle observasjoner er like mye verdt og kan forklares av fysikkens lover. At lysets hastighet er uforanderlig, kan lyde banalt, men den enkle påstanden tvinger selv rommet og tiden ned fra sin opphøyde posisjon som absolutte selvfølger. Barn lærer på barneskolen at hastighet er strekning delt på tid – lærerne tegner ut svt-pyramiden på tavlen, der s står for strekning, v for hastighet og t for tid. Det er hastigheten som regnes ut etter at 26
14657_Skjønnheten i kaos innmat.indd 26
10/03/2022 11:52