Lesbók Morgunblaðsins - 03.01.1998, Blaðsíða 6

HVAÐ GERÐIST Á
UNDAN MIKLAHVELLI?
EFTIR PAUL DAVIES
Það var Albert Einstein
sem kenndi okkur að tími
oq rúm væru ekki einunqis
breytanleqt leiksvið þar
sem hið mikla alheimsleik-
rit væri leikið heldur væru
þau hluti leikendanna -
hluti efnisheimsins.
JA, hvað gerðist á undan mikla-
hvelli? Flest skólaböm hafa gert
foreldrum sínum gramt í geði með
svona spurningum. Það byrjar oft
með vangaveltum um hvort rúmið
„sé endalaust“ eða hvaðan mann-
eskjur hafí komið eða hvemig
plánetan jörð hafí myndast. Að lok-
um virðist spurningarunan alltaf komast aftur
til hinsta upphafs hlutanna: miklahvells. „En
hvað orsakaði hanríl"
Börn vaxa úr grasi með innsæisvit á orsök
og afleiðingu. Atburðir í efnisheiminum em
ekki taldir „bara gerast". Eitthvað lætur þá
gerast. Jafnvel þegar kanínan kemur á sann-
færandi hátt upp úr hattinum er granur um
að brögð séu í tafli. Gæti þá heimurinn eins og
hann leggur sig einfaldlega orðið til sisona,
með göldram, alveg án raunveralegrar
ástæðu?
Þessi einfalda spuming skólabarns hefur
leitað á huga 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 grandvallaratriðum 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 óhjá-
kvæmilegu spumingu um hvað orsakaði þetta
eitthvað. Og svo framvegis í endalausa spum-
ingaranu. Sumir lýsa því einfaldlega yfír að
Guð hafí skapað alheiminn, en böm vilja alltaf
vita hver skapaði Guð, og spurningar á þeim
nótum verða óþægilega erfíðar.
Eitt ráð til að koma sér undan að svara
spumingunni er að halda því að alheimurinn
eigi sér ekki upphaf, að hann hafí 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 gefínn
er óendanlega langur tími mun allt sem getur
gerst þegar hafa gerst, því ef líklegt er að efn-
isferli 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 auki skýrir maður ekki tilvera
alheimsins með því að staðhæfa að hann hafi
alltaf verið til. Þetta er nokkuð svipað og að
segja að enginn hafí skrifað biblíuna: Hún
hafí bara verið afrituð eftir eldri útgáfum.
Fyrir utan allt þetta era mjög góð rök fyrir
því að alheimurinn hafí orðið til í miklum
hvelli, fyrir um fimmtán milljörðum ára.
Afleiðingar þessarar frumusprengingar era
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 mikla-
hvelli af stað. Blaðamenn hafa gaman af að
ögra vísindamönnum með þessari spurningu
þegar þeir kvarta yfír því hve miklum pening-
um sé varið til raunvísinda. í rauninni kom
(að mínum dómi) maður að nafni Agústínus
frá Hippó, kristinn dýrlingur sem var uppi á
fimmtu öld, auga á svarið. Á þeim tíma fyrir
daga raunvísindanna var heimsfræðigrein
guðfræðinnar og ögrunin kom ekki frá blaða-
mönnum 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 venju-
lega svarið.
En Ágústínus var snjallari. Heimurinn,
fullyrti hann, var skapaður „ekki / tímanum
heldur um leið og tíminn."
Með öðrum orðum, upphaf alheims - það
sem við köllum nú miklahvell - var ekki ein-
ungis hin skyndilega tilkoma efnisins í tóma-
rúmi 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 eðhs rúms, tíma og þyngdarkrafts. Það
var Albert Einstein sem kenndi okkur að tími
og rúm væra ekki einungis óbreytanlegt leik-
svið þar sem hið mikla alheimsleikrit er leikið
heldur væra þau hluti leikendanna - hluti
efnisheimsins. Sem efnisleg fyrirbæri geta
tími og rúm breyst - bjagast - fyrir til-
verknað þyngdarkraftsins. Þyndgarkrafts-
kenningin 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 óendaleg og
vegna hennar hafí því rúm og tími ekki getað
haldið áfram. Þannig spáir eðlisfræðin að tím-
anum hafi reyndar verið sett takmörk í fortíð-
inni eins og Ágústínus hélt fram. Hann teygð-
ist ekki aftur um alla eilífð.
Hafi miklihvellur verið upphaf sjálfs tímans
er öll umræða um hvað gerðist á undan mikla-
hvelli, eða hver var orsök hans - í venjulegri
merkingu orðanna efnisleg orsök - blátt
áfram merkingarlaus. Því miður álíta mörg
böm, og fullorðnir líka, að þetta sé ekki heið-
arlegt svar. Það hlýtur að vera flóknara en
þetta, andmæla þau.
Og það er reyndar flóknara. Þegar öllu er á
botninn hvolft, hvers vegna 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 raunvís-
indanna. En það er allt undir því komið hvað
átt er við með „skýringuEins og ég sagði
hafa öll börn góða hugmynd um orsök og af-
leiðingu, og venjulega felur skýring á atburði
það í sér að fínna eitthvað sem orsakaði hann.
Það kemur þó á daginn að til eru efnislegir at-
burðir sem eiga sér ekki vel skilgreindar or-
sakir að hætti hins venjulega heims. Þessi at-
burðir tilheyra undarlegri grein vísindalegrar
rannsóknar sem kallast skammtafræði.
Skammtaatburðir gerast aðallega á frum-
eindastiginu; við skynjum þá ekki í daglegu
lífí. A mælikvarða frumeinda og sameina gilda
ekki hinar venjulegu reglur um orsök og af-
leiðingu sem byggjast á almennri skynsemi. I
stað lögmálsreglunnar kemur einhvers konar
stjórnleysi eða óreiða og hlutir gerast sjálf-
krafa - 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 skyndi-
lega 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 hrömun geisla-
virks kjarna. Ef spurt er hvers vegna tiltek-
inn kjarni hafí hrömað á einu ákveðnu augna-
bliki frekar en á einhverju öðm 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 á að tiltekinn kjami hrörni eft-
ir, til að mynda, eina klukkustund. Þessi
óvissa stafar ekki einungis af fáfræði okkar
um alla hina litlu krafta og áhrif sem reyna að
láta kjarnan hrörna; hún er innbyggð í sjálfa
náttúmna, undirstöðuhluti skammtaveruleik-
ans.
Lexía skammtafræðinnar er þessi: Eitt-
hvað 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 - fyrir-
bæris sem er venjulegt rannsóknarefni í
agnahröðlum - til sjálfkrafa og orsakalausrar
tilkomu alheimsins. En smugan er til staðar.
Hafí frumheimurinn, eins og stjömufræðing-
ar halda, verið þjappaður saman í agnarögn
hljóta skammtahrifín einu sinni að hafa verið
mikilvæg á alheimslegan mælikvarða. Jafnvel
þótt við höfum ekki nákvæmega hugmynd um
hvað gerðist í upphafí getum við alltént skilið
að upphaf alheims úr engu þarf ekki að vera
löglaust eða ónáttúrulegt eða óvísindalegt. I
stuttu máli, það þarf ekki að hafa verið yfír-
náttúrulegur atburður.
Það er óhjákvæmilegt að vísindamenn sætti
sig ekki við að láta hér staðar numið. Við vild-
um gjaman útfæra þetta torskilda hugtak í
smáatríðum. Það er meira að segja til fræði-
grein, kölluð skammtaheimsfræði, sem er
helguð því. Tveir frægir skammtaheimsfræð-
ingar, 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 efnis-
heimsins, hann uppgötvaði líka að það eru
mjög náin tengsl milli þeirra. I rauninni eru
rúm út af fyrír sig og tími út af fyrír sig ekki
lengur strangt til tekið gild hugtök. I 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 tímaivrnstengslin er þó rúmið
rúm og tíminn tími undir næstum öllum
kríngumstæðum. Hvaða bjaganir á tímarúm-
inu sem þyngdarkrafturinn kann að valda
breyta þær aldrei rúmi í tíma eða tíma í rúm.
Undantekning verður þó til þegar skammta-
hrif eru tekin með í reikninginn. Sú stórmikil-
væga eðlislæga óvissa sem hrjáir skammta-
kerfí getur líka átt við um tímarúmið. í þessu
tileflli getur óvissan, undir sérstökum kring-
umstæðum, orkað á samsemd rúms og tíma. I
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 feríi. (Með
samfelldu á ég við að hin tímaleg eigind vídd-
ar, gagnstætt rúmlegrí eigind hennar, er ekki
fyrirbæri sem er annaðhvort allt eða ekkert;
það eru blæbrigði á milli. Þessa óljósu stað-
hæfíngu er hægt að gera alveg nákvæma
stærðfræðilega.)
Kjarni Hartle-Hawking hugmyndarínnar
er að miklihvellur var ekki skyndileg kviknun
tímans á einhverju sérstæðu fyrsta augna-
bliki, heldur uppkoma tímans úr rúminu með
ofurhröðum en engu að síður samfelldum
hætti. A mannlegan mælikvarða var mikli-
hvellur mjög svo skyndilegt sprengiupphaf
rúms, tíma og efnis. En skoði maður mjög
gaumgæfílega þetta fyi-sta agnarlitla sek-
úndubrot uppgötvar hann að það var alls eng-
in nákvæm og skyndileg byrjun. Hér höfum
við því kenningu um upphaf alheims sem virð-
ist segja tvennt sem stangast á: Annars vegar
var tíminn ekki alltaf til, og hins vegar var
ekkert fyrsta augnablik tímans. Svo skringi-
leg er skammtafræðin.
Jafnvel þegar búið er að bæta við þessum
smáatriðum fínnst mörgum að þeir hafí verið
prettaðir. Þeir vilja spyrja hvers vegna þessir
undaríegu hluti hafí gerst, hvers vegna al-
heimurinn sé til og hvers vegna þessi alheim-
ur. Kannski geta raunvísindin ekki svarað
slíkum spurningum. Raunvísindin eru góð íað
segja okkur hvernig en ekki eins góð í hvers
vcgna. Má vera að ekkert hvers vegna sé til.
Að langa til að vita hvers vegna er ákaflega
mannlegt, en kannski það sé ekkert svar til á
mannlegan kvarta við svona djúphugsuðum
spurningum um tilveruna. Eða kannski það sé
til, en við séum að skoða vandamálið á vitlaus-
an hátt.
Nú, ég lofaði ekki að koma með svörin við
lífínu, heiminum og öllum hlutum, en ég hef
alltént gefíð trúverðugt svar við spurningunni
sem ég byrjaði með: Hvað gerðist á undan
miklahvelli?
Svaríð er: Ekkert.
Gunnar Ragnarsson þýddi.
Höfundur þessarar ritgerðar, Paul Davies, er
kennilegur eðlisfræðingur og prófessor í eðl-
isfræði við Adelade-háskóla í Ástralíu. Hann
hefur gefið út á annað hundrað rannsóknar-
greinar á sviði heimsfræði, þyngdarafls og
skammtafræði, með sérstakri áherslu á svart-
hol og upphaf alheims.
Davies er vel þekktur sem rithöfundur, út-
varpsmaður og fyrirlesari fyrir almenning.
Hann hefur skrifað á þriðja tug bóka, allt frá
sérhæfðum kennslubókum til bóka við hæfi
almennings. Meðal þekktari bðka hans era
God and the New Physics, Supei-force, The
Cosmic Blueprint og The Mind of God. Nýj-
ustu bækur hans eru The Last Three Minutes
og It’s About Time.
Ritgerðin birtist í bókinni How Things Are:
A Scinece Tool-Kit for the Mind sem kom út í
Bretlandi 1995. Bók þessi er safn 34 stuttra
ritgerða eftir jafn marga þekkta og snjalla
vísindamenn og hugsuði, þar af fimm konur.
Hver ritgerð fjallar um grunnhugmynd, eitt-
hvert grundvallarhugtak, sem tengist fræða-
sviði hvers höfundar.
Ofanskráðar upplýsingar eru fengnar úr
bókinni. Þýð.
6 LESBÓK MORGUNBLAÐSINS ~ MENNING/LISTIR 3. JANÚAR 1998