eftir Paul Davies1
Ja, hvað gerðist á undan miklahvelli?
Flest skólabörn hafa gert foreldrum sínum gramt í geði með svona spurningum. Það byrjar oft með vangaveltum yfir hvort rúmið ‘sé endalaust’ eða hvaðan manneskjur hafi komið eða hvernig plánetan jörð hafi myndast. Að lokum virðist spurningarunan alltaf komast aftur til hinsta upphafs hlutanna: miklahvells. „En hvað orsakaði hann?“
Börn vaxa úr grasi með innsæisvit á orsök og afleiðingu. Atburðir í efnisheiminum eru ekki taldir ‘bara gerast.’ Eitthvað lætur þá gerast. Jafnvel þegar kanínan kemur á sannfærandi hátt upp úr hattinum er grunur um að brögð séu í tafli. Gæti þá heimurinn eins og hann leggur sig einfaldlega orðið til sisona, með göldrum, alveg án raunverulegrar ástæðu?
Þessi einfalda spurning skólabarns hefur leitað á hugi margra kynslóða heimspekinga, vísindamanna og guðfræðinga. Margir hafa forðast hana sem óskiljanlega ráðgátu. Flestir hafa komist í ofboðslega flækju með því einu að hugsa um hana.
Í grundvallaratriðum er vandinn þessi: Ef ekkert gerist án orsakar þá hlýtur eitthvað að hafa orsakað það að alheimurinn varð til. En þá stöndum við frammi fyrir hinni óhjákvæmilegu spurningu um hvað orsakaði þetta eitthvað. Og svo framvegis í endalausa spurningarunu. Sumir lýsa því einfaldlega yfir að Guð hafi skapað alheiminn, en börn vilja alltaf vita hver skapaði Guð, og spurningar á þeim nótum verða óþægilega erfiðar.
Eitt ráð til að koma sér undan að svara spurningunni er að halda því fram að alheimurinn eigi sér ekki upphaf, að hann hafi verið til um alla eilífð. Því miður eru margar vísindalegar ástæður fyrir því að þessi augljósa hugmynd fær ekki staðist. Fyrst má nefna að ef gefinn er óendanlega langur tími mun allt sem getur gerst þegar hafa gerst, því ef líklegt er að efnisferli eigi sér stað með einhverjum líkum – hversu litlar sem þær eru – þá hlýtur ferlið, ef tíminn er óendanlega langur, að eiga sér stað með öllum líkum. Núna ætti alheimurinn að vera kominn í einhvers konar lokaástand þar sem öll möguleg efnisferli hafa runnið sitt skeið. Þar að aukiskýrir maður ekki tilveru alheimsins með því að staðhæfa að hann hafi alltaf verið til. Þetta er nokkuð svipað og að segja að enginn hafi skrifað biblíuna: Hún hafi bara verið afrituð eftir eldri útgáfum. Fyrir utan allt þetta eru mjög góð rök fyrir því að alheimurinn hafi orðið til í miklum hvelli, fyrir um afleiðingar þessarar frumsprengingar eru skýrt greinanlegar nú – í þeirri staðreynd að alheimurinn er enn að þenjast út og er fullur af endurskini varmageislunar.
Við stöndum því frammi fyrir spurningunni um hvað gerðist á undan til að koma miklahvelli af stað. Blaðamenn hafa gaman af að ögra vísindamönnum með þessari spurningu þegar þeir kvarta yfir því hve miklum peningum sé varið til raunvísinda. Í rauninni kom (að mínum dómi) maður að nafni Ágústínus frá Hippó, kristinn dýrlingur sem var uppi á fimmtu öld, auga á svarið. Á þeim tíma fyrir daga raunvísindanna var heimsfræði grein guðfræðinnar og ögrunin kom ekki frá blaðamönnum heldur heiðingjum: „Hvað var Guð að gera áður en hann skapaði heiminn?“ spurðu þeir. „Hann var önnum kafinn við að búa til Helvíti handa ykkar líkum!“ var venjulega svarið.
En Ágústínus var snjallari. Heimurinn, fullyrti hann, var skapaður „ekki í tímanum heldur um leið og tíminn.“
Með öðrum orðum, upphaf alheims – það sem við köllum nú miklahvell – var ekki einungis hin skyndilega tilkoma efnisins í tómarúmi sem hefur verið til eilíflega áður, heldur tilorðning tímans sjálfs. Tíminn byrjaði með upphafi alheims. Það var ekkert ‘á undan’, engin endalaus hrímbreiða fyrir einhvern guð eða efnisferli að slíta sér út í óendanlegum undirbúningi.
Það er athyglisvert að nútímavísindi hafa komist að nokkurn veginn sömu niðurstöðu og Ágústínus á grundvelli þess sem við vitum nú um eðli rúms, tíma og þyngdarafls. Það var Albert Einstein sem kenndi okkur að tími og rúm væru ekki einungis óbreytanlegt leiksvið þar sem hið mikla alheimsleikrit er leikið heldur væru þau hluti leikendanna – hluti efnisheimsins. Sem efnisleg fyrirbæri geta tími og rúm breyst – bjagast – fyrir tilverknað þyngdaraflsins. Þyngdaraflskenningin spáir að við þau öfgaskilyrði sem ríktu fyrst í alheimi kunni rúm og tími að hafa verið svo bjöguð að ‘sérstæða’ myndaðist þar sem bjögun tímarúmsins var óendanleg og vegna hennar hafi því rúm og tími ekki getað haldið áfram. Þannig spáir eðlisfræðin að tímanum hafi reyndar verið sett takmörk í fortíðinni eins og Ágústínus hélt fram. Hann teygðist ekki aftur um alla eilífð.
Hafi miklihvellur verið upphaf sjálfs tímans þá er öll umræða um hvað gerðist á undan miklahvelli, eða hver var orsök hans – í venjulegri merkingu orðanna efnisleg orsök – blátt áfram merkingarlaus. Því miður álíta mörg börn, og fullorðnir líka, að þetta sé ekki heiðarlegt svar. Það hlýtur að vera flóknara en þetta, andmæla þau.
Og það er reyndar flóknara. Þegar öllu er á botninn hvolft, hversvegna skyldi tíminn allt í einu ‘kvikna’? Hvaða skýringu er hægt að gefa á svo sérstæðum atburði? Þar til fyrir skömmu virtist sem allar skýringar á hinni upphaflegu ‘sérstæðu’ sem markaði upphaf tímans yrðu að liggja handan við svið raunvísindanna. En það er allt undir því komið hvað átt er við með ‘skýringu’. Eins og ég sagði hafa öll börn góða hugmynd um orsök og afleiðingu, og venjulega felur skýring á atburði það í sér að finna eitthvað sem orsakaði hann. Það kemur þó á daginn að til eru efnislegir atburðir sem eiga sér ekki vel skilgreindar orsakir að hætti hins venjulega heims. Þessir atburðir tilheyra undarlegri grein vísindalegrar rannsóknar sem kallast skammtafræði.
Skammtaatburðir gerast aðallega á frumeindastiginu; við skynjum þá ekki í daglegu lífi. Á mælikvarða frumeinda og sameinda gilda ekki hinar venjulegu reglur um orsök og afleiðingu sem byggjast á almennri skynsemi. Í stað lögmálsreglunnar kemur einhvers konar stjórnleysi eða óreiða og hlutir gerastsjálfkrafa – af engri sérstakri ástæðu. Efnisagnir kunna einfaldlega að birtast fyrirvaralaust og hverfa svo aftur jafn snögglega. Ellegar að efnisögn á einum stað kann að birtast skyndilega á öðrum stað eða fara að hreyfast í öfuga átt. Ennfremur eru þetta raunveruleg áhrif sem eiga sér stað á mælikvarða frumeinda og það er hægt að sanna þau með tilraunum.
Dæmigert skammtaferli er hrörnun geislavirks kjarna. Ef spurt er hversvegna tiltekinn kjarni hafi hrörnað á einu ákveðnu augnabliki frekar en á einhverju öðru fæst ekkert svar. Atburðurinn ‘bara gerðist’ á þessu augnabliki, það er allt og sumt. Það er ekki hægt að spá um þessa atburði. Það eina sem hægt er að gera er að gefa líkurnar – það eru helmingslíkur að tiltekinn kjarni hrörni eftir, til að mynda, eina klukkustund. Þessi óvissa stafar ekki einungis af fáfræði okkar um alla hina litlu krafta og áhrif sem reyna að láta kjarnann hrörna; hún er innbyggð í sjálfa náttúruna, undirstöðuhluti skammtaveruleikans.
Lexía skammtafræðinnar er þessi: Eitthvað sem ‘bara gerist’ þarf ekki í rauninni að brjóta gegn lögmálum eðlisfræðinnar. Skyndileg og orsakalaus tilkoma einhvers getur átt sér stað innan sviðs vísindalögmála, þegar búið er að taka skammtalögmál með í reikninginn. Náttúran virðist hafa getu til raunverulegrar sjálfkvæmni.
Það er vitanlega stórt skref frá sjálfkrafa og orsakalausri tilkomu efniseindar – fyrirbæris sem er venjulegt rannsóknarefni í agnahröðlum – til sjálfkrafa og orsakalausrar tilkomu alheimsins. En smugan er til staðar. Hafi frumheimurinn, eins og stjörnufræðingar halda, verið þjappaður saman í agnarögn hljóta skammtahrifin einu sinni að hafa verið mikilvæg á alheimslegan mælikvarða. Jafnvel þótt við höfum ekki nákvæma hugmynd um hvað gerðist í upphafi getum við alltént skilið að upphaf alheims úr engu þarf ekki að vera löglaust eða ónáttúrlegt eða óvísindalegt. Í stuttu máli, það þarf ekki að hafa verið yfirnáttúrlegur atburður.
Það er óhjákvæmilegt að vísindamenn sætti sig ekki við að láta hér staðar numið. Við vildum gjarnan útfæra þetta torskilda hugtak í smáatriðum. Það er meira að segja til fræðigrein, kölluð skammtaheimsfræði, sem er helguð því. Tveir frægir skammtaheimsfræðingar, James Hartle og Stephen Hawking, komu fram með snjalla hugmynd sem á rætur að rekja til Einsteins. Einstein uppgötvaði ekki aðeins að rúm og tími eru hlutar efnisheimsins, hann uppgötvaði líka að það eru mjög náin tengsl milli þeirra. Í rauninni eru rúm út af fyrir sig og tími út af fyrir sig ekki lengur strangt tekið gild hugtök. Í stað þess verðum við að fjalla um sameinaða ‘tímarúms-‘ samfellu. Rúmið hefur þrjár víddir og tíminn eina, svo að tímarúmið er fjórvíð samfella.
Þrátt fyrir tímarúmstengslin er þó rúmið rúm og tíminn tími undir næstum öllum kringumstæðum. Hvaða bjaganir á tímarúminu sem þyngdaraflið kann að valda breyta þær aldrei rúmi í tíma eða tíma í rúm. Undantekning verður þó til þegar skammtahrif eru tekin með í reikninginn. Sú stórmikilvæga eðlislæga óvissa sem hrjáir skammtakerfi getur líka átt við um tímarúmið. Í þessu tilfelli getur óvissan, undir sérstökum kringumstæðum, orkað á samsemd rúms og tíma. Í agnarstutta stund er mögulegt að tími og rúm renni saman í eitt, að tíminn verði, ef svo má segja, rúmlegur – bara önnur rúmsvídd.
Rúmgerving tímans er ekki eitthvað sem gerist allt í einu; hún er samfellt ferli. Skoðað frá hinum endanum sem tímagerving (einnar víddar) rúmsins merkir þetta að tíminn geti komið upp úr rúminu í samfelldu ferli. (Með samfelldu á ég við að hin tímalega eigind víddar, gagnstætt rúmlegri eigind hennar, er ekki fyrirbæri sem er annaðhvort allt eða ekkert; það eru blæbrigði á milli. Þessa óljósu staðhæfingu er hægt að gera alveg nákvæma stærðfræðilega.)
Kjarni Hartle-Hawking hugmyndarinnar er að miklihvellur hafi ekki verið skyndileg kviknun tímans á einhverju sérstæðu fyrsta augnabliki, heldur uppkoma tímans úr rúminu með ofurhröðum en engu að síður samfelldum hætti. Á mannlegan mælikvarða var miklihvellur mjög svo skyndilegt sprengiupphaf rúms, tíma og efnis. En skoði maður mjög gaumgæfilega þetta fyrsta agnarlitla sekúndubrot uppgötvar hann að það var alls engin nákvæm og skyndileg byrjun. Hér höfum við því kenningu um upphaf alheims sem virðist segja tvennt sem stangast á: Annarsvegar var tíminn ekki alltaf til, og hinsvegar var ekkert fyrsta augnablik tímans. Svona skringileg er skammtafræðin.
Jafnvel þegar búið er að bæta við þessum smáatriðum finnst mörgum að þeir hafi verið prettaðir. Þeir vilja spyrja hversvegna þessir undarlegu hlutir hafi gerst,hversvegna alheimurinn sé til og hversvegna þessi alheimur. Kannski geta raunvísindin ekki svarað slíkum spurningum. Raunvísindin eru góð í að segja okkur hvernig en ekki eins góð í hversvegna. Má vera að ekkert hversvegna sé til? Að langa til að vita hversvegna er ákaflega mannlegt, en kannski það sé ekkert svar til á mannlegan kvarða við svona djúphugsuðum spurningum um tilveruna. Eða kannski það sé til, en við séum að skoða vandamálið á vitlausan hátt?
Nú, ég lofaði ekki að koma með svörin við lífinu, heiminum og öllum hlutum, en ég hef alltént gefið trúverðugt svar við spurningunni sem ég byrjaði með: Hvað gerðist á undan miklahvelli?
Svarið er: Ekkert.
Gunnar Ragnarsson þýddi.
Tilvísanir
1. Höfundur þessarar ritgerðar, Paul Davies, er kennilegur eðlisfræðingur og prófessor í eðlisfræði við Adelaide-háskóla í Ástralíu. Hann hefur gefið út á annað hundrað rannsóknargreinar á sviði heimsfræði, þyngdarafls og skammtafræði, með sérstakri áherslu á svarthol og upphaf alheims. Davies er vel þekktur sem rithöfundur, útvarpsmaður og fyrirlesari fyrir almenning. Hann hefur skrifað á þriðja tug bóka, allt frá sérhæfðum kennslubókum til bóka við hæfi almennings. Meðal þekktari bóka hans eru God and the New Physics, Superforce, The Cosmic Blueprint og The Mind of God . Nýjustu bækur hans eru The Last Three Minutes og It’s About Time. Ritgerðin birtist í bókinni How Things Are: A Science Tool-Kit for the Mind sem kom út í Bretlandi 1995. Bók þessi er safn 34 stuttra ritgerða eftir jafn marga virta vísindamenn og hugsuði, þar af fimm konur. Hver ritgerð fjallar um grunnhugmynd, eitthvert grundvallarhugtak, sem tengist fræðasviði hvers höfundar. Ofanskráðar upplýsingar eru fengnar úr bókinni. Þýð.