Carlo Rovelli
Eksisterer virkelig tid og rom? Hva består virkeligheten av?
«En veldig god bok om veldig, veldig små ting: Rovelli tar leseren med på en reise både i fysikkens historie og inn i universets minste bestanddeler. … En vellykket popularisering av et ekstremt vanskelig felt i vitenskapens ytterste og merkeligste grenseland. … Denne leser er allerede fan.»
erika fatland, aftenposten
ISBN
978-82-430-1198-4
www.spartacus.no
2018
Virkeligheten er ikke slik vi tror
Forfatter og forsker Carlo Rovelli har brukt hele livet på å utforske disse spørsmålene, og har flyttet grensene for hva vi kan vite og forstå. I denne banebrytende boka viser han hvordan vår oppfatning av virkeligheten har endret seg gjennom århundrene, fra den tidlige forståelsen av atomene til dagens kvantegravitasjon. Han tar oss med på en fantastisk reise – og viser oss en ny verden der svarte hull er i ferd med å eksplodere, romtid består av partikler og uendeligheten ikke eksisterer. Vi befinner oss i et enormt univers som venter på å bli utforsket.
Fra den bestselgende forfatteren av Syv korte leksjoner i fysikk
Carlo Rovelli
virkeligheten er ikke slik vi tror Om tingenes grunnleggende oppbygning
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.
carlo rovelli
Virkeligheten er ikke slik vi tror Om tingenes grunnleggende oppbygning oversatt fra italiensk av birgit owe svihus
Virkeligheten er ikke slik vi tror Originalens tittel: La realtà non è come si appare © 2014, Raffaello Cortina Editore © norsk utgave Spartacus Forlag AS, 2017 Omslagsdesign: Penguin Sats: Punktum forlagstjenester Satt med: Garamond Premier Pro 11/14 Papir: Ensolux cream 80g Trykk: Bookwell Printed in Finland ISBN 978-82-430-1119-9 Utgitt med støtte til oversettelsen fra Det italienske utenriksog bistandsdepartementet. Questo libro è stato tradotto grazie ad un contributo alla traduzione assegnato dal Ministero degli Affari Esteri e della Cooperazione Internazionale italiano. Utgivelsen har mottatt støtte fra Fritt Ord.
Det må ikke kopieres fra denne bok, i strid med åndsverksloven eller i strid med avtaler inngått med KOPINOR.
Spartacus Forlag AS Postboks 6673 St. Olavs plass 0129 Oslo www.spartacus.no
Innhold Utgangspunkt: På en rusletur langs stranden
7
FØRSTE DEL
RØTTER Kapittel 1: KORN Kapittel 2: KLASSIKERNE
16 39
ANDRE DEL
REVOLUSJONEN STARTER Kapittel 3: ALBERT Kapittel 4: KVANTER
64 104
TREDJE DEL
KVANTEROM OG RELASJONELL TID Kapittel 5: ROMTIDEN ER KVANTISK Kapittel 6: ROMKVANTER Kapittel 7: TIDEN FINNES IKKE
139 152 165
FJERDE DEL
HINSIDES TID OG ROM Kapittel 8: PÅ DEN ANDRE SIDEN AV BIG BANG Kapittel 9: EMPIRISKE BEVISER? Kapittel 10: VARMEN I SORTE HULL
188 196 208
Kapittel 11: SLUTTEN PÃ… UENDELIGHETEN Kapittel 12: INFORMASJON Kapittel 13: MYSTERIET
216 223 243
Noter Bibliografi med kommentarer Personregister
251 263 268
UTGANGSPUNKT
På en rusletur langs stranden Vi er hysterisk opptatt av oss selv. Vi studerer vår historie, vår psykologi, vår filosofi, vår litteratur, våre guder. Store deler av kunnskapen vår dreier seg utelukkende om oss mennesker, som om det var vi som var det aller viktigste i universet. Jeg tror grunnen til at jeg liker fysikk, er at fysikken åpner vinduet for oss, slik at vi kan rette blikket langt ut i det fjerne. Jeg får følelsen av at det strømmer frisk luft inn i huset. Det vi ser der ute på den andre siden av vinduet, slutter aldri å forbause oss. Vi har lært en masse om universet. I århundrenes løp er vi blitt klar over alt det vi har misforstått, og alle feilene vi har begått. Vi trodde jo at jorden var flat. At den sto stille i verdens sentrum. At universet var lite og aldri kom til å forandre seg. Vi trodde at menneskene var en helt egen stamme, uten noe som helst slektskap med resten av dyrene. Vi har lært at det finnes kvarker, sorte hull, lyspartikler, rombølger og helt spesielle molekylstrukturer i hver eneste celle i kroppen vår. Menneskeheten er som et lite barn som vokser opp og med forundring oppdager at verden består av noe mer enn bare det lille barnerommet og lekeplassen utenfor. Verden er kjempesvær, det finnes tusen
7
utgangspunkt
ting å oppdage der ute, og en mengde ideer og begreper man skal lære å kjenne, som er vidt forskjellige fra dem man vokste opp med. Jo mer vi lærer om verden, desto mer forbløffet blir vi over hvor mangfoldig, hvor vakker og hvor enkel den er. Men jo mer vi oppdager, desto mer innlysende blir det også at det vi fremdeles ikke vet, er mer enn det vi allerede har forstått. Jo sterkere teleskoper vi skaffer oss, desto flere underlige og uventede himler får vi øye på. Jo grundigere vi gransker de aller minste detaljene i materien, desto flere dyptliggende strukturer oppdager vi. I dag kan vi se nesten helt tilbake til Big Bang, den store eksplosjonen som for 14 milliarder år siden dannet grunnlaget for samtlige av himmelens galakser; men vi begynner allerede å ane at det finnes noe på den andre siden av Big Bang. Vi har lært at rommet er krumt, og vi begynner allerede å ane at dette samme rommet er bygget opp av kvantepartikler som vibrerer. Det vi vet om verdens grunnleggende grammatikk, blir bare mer og mer omfattende. Dersom vi forsøker å sammenfatte alt det vi har lært om den fysiske verden i løpet av 1900-tallet, peker indisiene mot noe fundamentalt forskjellig fra det de lærte oss på skolen om materie og energi, om tid og rom. Vi blir klar over en grunnleggende oppbygning av verden, der det hverken finnes tid eller rom, og som er blitt til gjennom et mylder av kvantehendelser. Kvantefelter former rom, tid, materie og lys, ved å utveksle informasjon fra én hendelse til den neste. Virkeligheten er et nettverk av hendelseskorn. Dynamikken som binder den sammen, er bygget på sannsynlighet – mellom én hendelse og den neste løses rom, tid, materie og energi opp i en sky av sannsynligheter. Denne nye og underlige verdenen kommer i dag langsomt til syne som et resultat av at man har studert den grunnleggende fysikkens viktigste uløste problem: kvantegravitasjon – problemet med å finne et samsvar i det vi har forstått om verden ved hjelp
8
på en rusletur langs str anden
av de to store oppdagelsene innen fysikk i det 20. århundret, nemlig den generelle relativitetsteorien og kvanteteorien. Denne boken handler om kvantegravitasjon og den forunderlige verdenen denne forskningen åpenbarer for oss. Boken gir en førstehånds skildring av forskningen slik den foregår i dag: det vi er i ferd med å lære, det vi vet, og det vi i dag så vidt begynner å forstå om tingenes grunnleggende natur. Den begynner med begynnelsen, den fjerne opptakten til enkelte nøkkelbegreper som i dag gjør det mulig for oss å ordne opp i vår forståelse av verden. Den beskriver de to store oppdagelsene i det 20. århundret – Einsteins relativitetsteori og kvantemekanikken – og forsøker å rette søkelyset mot kjernen i disse oppdagelsenes fysiske konsekvenser. Den forteller om det verdensbildet som i dag er i ferd med å etablere seg som et resultat av forskningen innen kvantegravitasjon, og den tar også med i beregningen de siste signalene naturen har gitt oss, som for eksempel bekreftelsen på den kosmologiske standardmodellen fra Planck-satellitten (2013), og det mislykkede forsøket på å observere supersymmetriske partikler ved forskningssenteret CERN (2013). Den diskuterer konsekvensene av disse ideene: rommets kornete struktur, det at tiden blir borte bare skalaen blir liten nok, de fysiske aspektene ved Big Bang, årsaken til at sorte hull er varme, og så videre, frem til hvilken rolle informasjon spiller for grunnleggende fysikk. I den velkjente hulelignelsen Platon forteller i bok VII av Staten, er menneskene lenket fast dypt inne i en mørk hule, og det eneste de kan se, er skygger som kastes fra et bål bak ryggen deres mot huleveggen foran dem. De tror at det er dette som er virkeligheten. En av dem klarer å komme seg løs, han går ut av hulen og oppdager sollyset og den store verdenen utenfor. I begynnelsen blir han blendet og overveldet av lyset: Øynene hans er ikke vant til så mye lys. Men etter hvert får han synet tilbake
9
utgangspunkt
igjen og vender opprømt hjem til kameratene sine for å fortelle dem hva han har sett. De har vanskelig for å tro ham. Vi befinner oss alle sammen innerst i en hule lenket til vår egen uvitenhet, til våre fordommer, og med det svake sanseapparatet vårt ser vi ikke noe annet enn skygger. Hvis vi forsøker å se lenger, blir vi ofte forvirret: Vi er ikke vant til det vi ser. Men vi prøver. Det er dette som er vitenskap. Vitenskapelig tenkning utforsker og tegner opp verden på nytt, og litt etter litt får vi stadig bedre bilder av den: Vitenskapelig tenkning lærer oss å tenke på verden på en mer hensiktsmessig måte. Vitenskap er en vedvarende utforskning av måter å tenke på. Vitenskapens styrke ligger i dens visjonære evne til å velte forutinntatte oppfatninger over ende, til å avdekke nye deler av virkeligheten og etablere nye og mer hensiktsmessige bilder av verden. Dette eventyret bygger på all den kunnskapen vi har samlet opp gjennom tidene, men i bunn og grunn handler det om forandring og et ønske om å se enda lenger. Verden er endeløs og fylt av alle regnbuens farger – vi vil dra av gårde for å se den. Vi blir overveldet av hvor gåtefull og vakker den er, og bakom åsryggen finnes det områder som fremdeles ingen har utforsket. Denne uvissheten vår, denne rådløsheten, som er spent over den bunnløse avgrunnen av alt det vi ikke vet, gjør ikke livet meningsløst: Den gjør det verdifullt. Jeg har skrevet denne boken for å forklare hvorfor jeg synes dette eventyret er så fantastisk. Jeg har skrevet den med tanke på en leser som ikke kan noe om fysikk, men som er nysgjerrig etter å få vite hva vi i dag skjønner, og hva vi foreløpig ikke skjønner, om hvordan verden er bygget opp, og hvor det er vi prøver å lete. Og jeg har skrevet den for å forsøke å beskrive hvor overveldende vakker virkeligheten er når man studerer den i dette perspektivet. Jeg har også skrevet den med tanke på mine fagfeller, mine reisefeller spredt rundt omkring i verden, og de unge
10
på en rusletur langs str anden
forskerspirene som ivrer etter selv å ta fatt på denne ferden. Jeg har forsøkt å skissere opp hvordan den fysiske verden er bygget opp fra grunnen av, sett i lys av både relativitetsteorien og kvanteteorien, slik jeg tror det kan henge sammen. Den er ikke bare en populærvitenskapelig bok; den har også til hensikt å presentere et sammenhengende synspunkt, på et forskningsområde der språket blir så teknisk abstrakt at det enkelte ganger faktisk ender med å stå i veien for helheten. Vitenskap består av eksperimenter, hypoteser, ligninger, beregninger og lange diskusjoner, men alt dette er bare redskaper, akkurat som musikernes instrumenter. Det som virkelig betyr noe i musikken, når alt kommer til alt, er selve musikken, og det som virkelig betyr noe innen vitenskap, er den forståelsen av verden som vitenskapen er i stand til å bidra til. For virkelig å forstå hva oppdagelsen av at jorden dreier rundt Solen innebar, har det ingen hensikt å fordype seg i de innviklede beregningene til Kopernikus. For virkelig å forstå hva oppdagelsen av at alle levende vesener på planeten vår har samme stamfar betydde, behøver man ikke å følge de kompliserte resonnementene i boken til Darwin. Vitenskap handler om å lese verden ut ifra et stadig videre synspunkt. I denne boken skal jeg fortelle hvor langt man er kommet i utforskningen av dette nye verdensbildet, slik jeg oppfatter det i dag, og jeg har forsøkt å konsentrere meg om de vesentligste flokene og de logiske sammenhengene. Slik jeg ville svare en kollega og venn som spurte: «Enn du da, hvordan tror du egentlig alt henger sammen?» mens vi ruslet en tur langs stranden en lys sommernatt.
11
FØRSTE DEL RØTTER
Del 1: Røtter
Denne boken begynner i Milet i Hellas, for 2600 år siden. Hvorfor vil jeg starte en bok om kvantegravitasjon med å snakke om hendelser, personer og tanker som ligger så langt tilbake i tid? De av leserne som helst vil komme frem til romkvantene med det samme, får ha meg unnskyldt. Men det er lettere å forstå en tankegang om man tar utgangspunkt i de røttene den har sprunget ut fra, og en viktig del av de tankene som senere skulle vise seg å være nyttige for å forstå verden, ble første gangen tenkt for mer enn 2000 år siden. Dersom vi tar en kort gjennomgang av hvordan de oppsto, vil vi få en bedre forståelse av dem, og det vil føles lettere og mer naturlig å gå videre. Men ikke bare det. Enkelte av de problemene man stilte seg på den tiden, er fremdeles vesentlige for å forstå verden. Noen av de aller nyeste ideene angående rommets oppbygning støtter seg til begreper og spørsmålsstillinger som ble introdusert den gang. Når jeg snakker om disse ideene fra en fjern fortid, begynner jeg straks å tenke på noen av de grunnleggende spørsmålene som skal komme til å bli vesentlige for å kunne forstå forutsetningen for kvantegravitasjon. Når jeg skal presentere kvantegravitasjon, blir det dermed mulig å identifisere de ideene som har sitt opphav i den vitenskapelige tenkningens begynnelse, selv om de ofte kan virke fremmede for oss, og skille dem fra de radikalt nye aspektene ved teorien. Som vi snart skal få se, finnes det en overraskende tett kobling mellom de problemene som ble fremlagt av oldtidens vitenskapsmenn, og de løsningene Einstein og kvantegravitasjonen har funnet frem til.
15