|
Tomrum og fylde |
|||
|
|
|||
|
Ib Ravn |
|||
|
Er universet et stort øde, hvori der svæver isolerede planeter og partikler? Eller er det et frådende hav af energi, hvor det faste stof blot er små krusninger på overfladen? Her præsenteres den nye fysiks problemer med tingene og tomrummet, Trykt som kronik i Politiken 10. december 1991 |
|||
|
|
|||
|
Den fysiske virkelighed består af en hel masse ting, der i sidste instans udgøres af partikler. Spørger man om, hvad der er mellem tingene eller partiklerne, vil de fleste mennesker vel svare, at der er ingenting. Universet består altså tilsyneladende af ting med ingenting imellem, dvs. ting der svæver i et tomrum. Med den ny fysik fra dette århundrede er man imidlertid begyndt at erkende, at tomrummet på ingen måde er tomt. Kvantefysikken (fysikken om universets mindste dele) siger at tomrummet rummer struktur og energi - faktisk umådelige mængder energi. Helt præcist hvordan man skal forstå disse energimængder midt i det rene ingenting, er der ikke stor enighed om blandt fysikere. For et "fyldt tomrum" er noget af et kors for tanken, når man som i vores kultur er vant til sætte et skarpt skel mellem væren og intet, dét der findes og dét der ikke gør det. Det sidste tiårs stigende videnskabelige opmærksomhed omkring kvantevirkelighedens beskaffenhed har også manifesteret sig i en interesse for forholdet mellem fylde og tomhed. Ligesom mange andre af fysikkens grundlagsproblemer har givet anledning til fornyede overvejelser om forholdet mellem menneske og kosmos, kultur og natur, således rummer også spørgsmålet om det "fyldte tomrum" betydninger for vor forståelse af menneskets tilværelse. Forestillingen om det tomme rum var et tema allerede i antikken. Således mente Demokrit (omk. 420 f.Kr.) at alt stof er sammensat af unedbrydelige smådele, atomerne, der enkeltvis eller sammenhægtet i større legemer bevæger sig gennem det tomme rum. Generelt var tanken om et absolut tomrum dog ikke særlig populær i antikken, og Aristoteles' modvilje herimod levede videre i Middelalderens horror vacui, angsten for det tomme rum. De tidlige naturforskere i 17- og 1800-tallet opdagede en række kræfter, der tilsyneladende virkede over store afstande - bl.a. tyngdekraft, elektricitet og magnetisme. Til at formidle disse kræfter mellem legemer mente de, at der behøvedes et medium af en eller anden slags. Man opfandt derfor begreber som effluvium, "caloric", "subtle matter", æter og felter, som kræfterne bevægede sig igennem som bølger gennem vand. Med fysikkens udvikling i slutningen af forrige århundrede faldt disse ideer (på een undtagelse nær) gradvis bort, og fysikere betragter dem nu - let smilende - som overståede stadier i videnskabens udvikling. Undtagelsen er feltbegrebet, der i dag står som den eneste generelt accepterede modificering af det ellers så krystalklare skel mellem tingene og tomrummet. Et felt er ikke en genstand og det er heller ikke ingenting: det er et område hvor der virker en kraft. Et tyngdefelt er det område hvor en tyngdekraft virker, f.eks. uden om Jorden, og et magnetisk felt er det område hvor magnetiske kræfter virker, f.eks. uden om sådan en magnet der trækker en skabsdør i. Felter er altså ikke "ingenting", idet de er i stand til at formidle kræfter og vekselvirkninger mellem ting, og de er heller ikke "noget", idet de ikke er materielle eller manifeste: man kender dem kun på deres virkninger. Hvad angår det tomme rum har man klassisk ment, at fjernede man alle ting og partikler fra en kasse og skærmede af for alle felter, kunne man opnå et absolut tomrum inde i kassen, et område af rummet hvor der bare ingenting var: et vakuum. Med kvantefysikken har man imidlertid måttet sande, at dette ikke kan lade sig gøre. Et kvantevakuum, som vakuummet kaldes i kvantefysikken, indeholder altid en "rest" af de felter, man har prøvet at afskærme for. Denne rest er nøglen til tomrummets gåde. Lad os se på hvordan det skal forstås. Kigger vi blot på de elektromagnetiske felter - altså dem der har med elektricitet og mangnetisme at gøre - så opfatter man dem sædvanligvis som bestående af en række svingninger eller vibrationer. Hvad præcist det er der svinger eller vibrerer, kan vi ikke så godt spørge fysikerne om, for vi får bare svaret at det er feltet, der gør det, og så er vi lige vidt. Disse svingninger foregår med alle mulige hastigheder, og til hver svingningshastighed (frekvens) svarer der en vis energi. At man ikke kan fjerne et felt helt og aldeles fra en tom kasse er en populær måde at sige på, at den energi, som hver af feltets mange frekvenser repræsenterer, ikke kan blive mindre end en vis minimumsstørrelse. Hvor megen energi findes der så i det tomme rum? For at afgøre det finder man blot den mængde energi, som hver af feltets frekvenser repræsenterer, og lægger disse energimængder for alle feltets frekvenser sammen. Den ansete fysiker John Archibald Wheeler(1) angiver et tal for mængden af energi i en kubikcentimeter vakuum. Dette tal udtrykker han i et antal gram stof, idet stof jo ifølge relativitetsteorien er en "fastlåst" form for energi (hvilket man ser i atomreaktorer og atombomber, hvor nogle få gram eller pund stof omdannes til uhyre mængder energi). Wheelers tal er 5 * 10 i 93'tyvende gram, eller 5.000.000.000.000.000.000.000. Kvantefysikkens matematik (kaldet kvanteteorien) siger at der er umådelige mængder energi i det tomme rum. Faktisk optræder denne energi ikke som en endelig størrelse i kvanteteorien, men som uendeligheder, deciderede uendeligheder af energitæthed, som det kaldes. Disse uendeligheder i ligningerne stødte man på i kvanteteoriens tidlige år, og man har altid betragtet dem med nogen ubehag. De var anomalier, besynderligheder som man var bedst tjent med at skaffe sig af med. Den førende amerikanske fysiker Bryce S. DeWitt udtrykker det med en bramfrihed, der er usædvanlig i videnskabelige artikler: "En uendelig energitæthed er pinlig. Teoretikere har indført en række tekniske procedurer for at at uddrive denne djævel [exorcize it]. Disse procedurer er en del af et generelt program kaldet renormaliseringsteori, der håndterer diverse uendeligheder der dukker op i kvantefeltteorien."(2) Måden man "håndterer" uendelighederne på er populært sagt, at man trækker dem fra på begge sider af lighedstegnet, således at kun de endelige størrelser, der repræsenterer de involverede instrumenter og partikler, bliver tilbage. Efter denne "renormalisering" ser alting normalt ud igen, og fysikere kan nu give uendelighederne en ordinær fortolkning: De er simpelthen artefakter, kunstprodukter af matematikken, og man begår en slem fejl ved at tro at de repræsenterer noget virkeligt. Selv om det for ikke-fysikeren ser ud som snyd, er det meget almindeligt at der i de ligninger, der beskriver fysiske systemer, optræder størrelser som det vil være fjollet at prøve at finde i virkeligheden. Kvadratroden af -1 er et kendt eksempel på en størrrelse, som det giver god mening bruge i ens matematik, men som man ikke skal lede efter i virkeligheden. Prøv selv at finde ud af hvor mange liter maling man skal have, for at denne mængde ganget med sig selv giver -1. På tilsvarende måde mener flertallet af fysikere, at det er fuldt ud legitimt at udnævne uendelighederne i kvanteteorien til at være abstrakte størrelser, rent matematiske begreber der ikke svarer til noget i virkeligheden. Denne uvilje mod at give kvanteteorien status af at være noget virkeligt stikker dybt i langt de fleste fysikere. Det er en del af arven fra Niels Bohr og hans "københavnerskole", som jo advarede mod at tro, at den fysiske verden så ud på denne eller hin måde. Københavnerskolens "billedforbud" får unge fysikere ind med modermælken, og de får derfor let ved at ryste kvanteteoriens uendeligheder af sig. Og alligevel giver de problemer, idet man har observeret at den "abstrakte" vakuumenergi har nogle ret så konkrete konsekvenser. En af dem er fænomenet par-produktion, hvorunder en partikel og dens anti-partikel, f.eks. en elektron og en positron, spontant opstår ud af det "rene ingenting". Hvordan skulle de kunne det, hvis der ikke er en energi til stede i det tomme rum? Man har forsøgt at forstå denne vakuummets evne til at skabe stof ved at henvise til en bestemt ulighed, formuleret af Werner Heisenberg i kvantefysikkens tidlige år. Denne ulighed udtrykker en relation mellem to egenskaber ved kvantesystemer, kaldet usikkerhedsrelationen, og denne er alle kvantefysikere fortrolige med. Man forsøger så at forklare par-produktionen ved at sige at Heisenbergs usikerhedsrelation kan åbne for "sprækker" i den fysiske virkelighed, ganske korte øjeblikke hvor kvantevakuummets energi får lov til at svinge sig op og blive til et par patikler, der så må opsluges af vakuummet igen. Men selv med usikkerhedsrelationen som "forklaring" må vi antage, at der er noget bagved det tilsyneladende energiløse tomrum, et eller andet reservoir af energi, hvorfra de parvise partikler opstår. Hvad er det vi ser inde bag Heisenberg-sprækkerne i virkeligheden? Det er man typisk ikke meget for at svare på - og de fleste vil mene at det er et af den slags virkelighedsspørgsmål, som Bohr frarådede og som kvanteteorien principielt ikke giver noget svar på. Spørgsmålet er, om det længere given megen mening at forstå tomrummet som et vakuum. Er det ikke snarere et plenum, et fylde der er til stede overalt og gennemtrænger alt, også den smule stof der befinder sig i universet og hvis energi i sammenligning med vakuumenergien er forsvindende lille. Men hvordan skal man forstå rum og genstande, hvis det hidtidige opfattelse af et tomrum befolket med ting og partikler ikke er tilstrækkeligt længere? Den teoretiske fysiker David Bohm(3) har fremlagt den ide, at vi kan se denne baggrundsenergi som et umådeligt dybt hav. De velkendte ting og partikler udgør så små krusninger på overfladen af dette hav. Ligesom krusningerne blot er overflademanifestationer af det langt dybere hav, således må de manifeste genstande og partikler, der udgør den klassiske fysiks domæne, opfattes som manifestationer eller "fortætninger" af den langt større vakuumsenergi. Universets fødsel i the Big Bang er i denne sammenhæng blot at betragte som et sammenrend af krusninger på overfladen af vakuumshavet - et sammenrend der skaber en lidt større bølge, som bryder frem af havet og ser voldsom ud fra de små krusningers (vores) synspunkt. At vi ikke i det daglige er opmærksomme på denne umådelige energi er ikke mere mærkeligt end at fiskene formentlig ikke er opmærksomme på, at de omgives af vand. Vakuumsenergien er vort medium og eksistensbaggrund. Det er i kraft af den, at den manifeste verden overhovedet er til, og vi bemærker den således ikke. I den klassiske fysik manifesterer den sig ikke; først med kvantefysikken trænger den sig på videnskabeligt. Som nævnt lod Einsteins generelle relativiteteori fysikerne forstå masse og energi som ækvivalente, dvs. to sider af samme sag. Masse er en slags fortætning af energi, fastlåsede eller "fastfrosne" tilstande af den. Er tiden nu kommet til at erkende ækvivalensen mellem kvantevakuum og energi? Er det "tomme" rum propfuldt af energi? Kan vi forstå os selv og det materielle univers (som efter Einstein altså ikke længere er helt så materielt) som små krusninger på "overfladen" af den umådelige vakuumsenergi? Som grove manifestationer af en subtilt energipotentiale? Som rørelser i et intet, der dog er alt og som gennemstrømmer os? Det er værd at bemærke sig, at spørgmålet om fylde og tomhed har været evige temaer i tolkningen af tilværelsen som helhed, ikke bare den fysiske verden. Er skaberværket en lille ø i et rungende tomrum, hvor mennesket står helt alene, eller udspringer vi af alt det der er? Religiøse verdensbilleder har overvejende set Gud og kosmos som et, og mennesket som sammenhørigt med og udspringende af kosmos (kristendommen er en tydelig undtagelse). Verdslige tilværelsestolkninger, udviklet i kristne kulturer, har ved at afskaffe det guddommelige ofte også kappet forbindelsen til kosmos over, således at mennesket står alene i universet. Et fremtrædende eksempel på det sidste er den fransk inspirerede eksistentialisme i årtierne efter anden verdenskrig. Ifølge denne findes der forlods ingen mening i universet; mennesket er grundlæggende ensomt og skal ved sin egen kraft kaste sig ind i tilværelsen og skabe sin egen mening. Fylde får livet først når mennesket fylder det på forhånd givne tomrum ud. Det eksistentialisisk påvirkede absurde teater fra samme periode udstiller denne livstolknings skyggeside: angsten for det store intet, fortvivlelsen over det sorte hul og den meningsløshed der truer med at opsluge mennesket. Godot kommer aldrig, han findes ikke. Det er kuriøst, at eksistentialismen florerede i europæisk åndsliv i netop de år, hvor københavnerskolens billedforbud satte sig igennem. Allerede i 1930'erne var det klart at vakuummet ikke bare var tomt, men efter kvanteoriens første stormombruste årtier gik de store filosofiske diskussioner af mode blandt fysikere. Positivisme og instrumentalisme slog igennem i flere videnskaber end blot fysikken. Man renormaliserede sine ligninger så uendelighederne blev nulstillet og accepterede den klassiske forestilling om det absolutte tomrum. Det fælles overordnede åndelige klima for tomrums-tænkningen var måske den kolde krig og den deraf følgende kulde i tanken. Det er svært at vide. Men det er ikke vanskeligt at gætte på, at vi i de kommende år vil se en betydeligt større videnskabelig interesse for kvantevakuummet.(4) Om det så hænger sammen med kvantefysikernes begyndende frigørelse fra billedforbuddet (mange fremtrædende fysikere diskuterer i dag åbenlyst virkelighedsbilleder), eller om det skyldes inspirationen i 1960'erne og 70'erne fra ikke-vestlige kulturers verdensbilleder, der har færre problemer med ideer som fylde-i-tomhed, eller om koldkrigens afslutning og en generel "opvarmning" af det intellektuelle miljø udøver en væsentlig indflydelse - det er også svært at sige.
Litteratur 1. Geometrodynamics, New York: Academic Press, s. 77. 2. "Quantum Gravity", Scientific American, December 1983, s.116. 3. Helhed og den indfoldede orden, Ask, 1986. 4. Harold Puthoff: "Everything for Nothing". New Scientist, 28. juli 1990 |
|||
|
|