Annons
Fantasier vid fysikens gräns

Michio Kaku, professor i fysik i New York. Enligt honom är det mesta i science fiction möjligt.

Fantasier vid fysikens gräns

Det som är science fiction i dag kan vara fullt tänkbart i fysikens värld i morgon. Men mest lockande är nog drömmen om det godas seger över det onda.

Framtiden går inte att förutsäga, det är helt säkert enligt den amerikanska fysikern Michio Kaku. Ändå försöker han förutsäga vilka av de populäraste föreställningarna om vår framtid från science fiction-världen som kommer att slå in. En paradox? Inte riktigt, för Michio Kaku ägnar sig åt att med fysikerns lagar resonera sig fram till vad som över huvud taget kan vara möjligt att åstadkomma. Och när vi i så fall kan komma dithän.

Vi är primitiva än så länge

Michio Kaku är fysikprofessor i New York och en av arkitekterna bakom strängteorin, den moderna fysikens försök att förena kvantfysik med Einsteins relativitetsteori. Men han har också skrivit flera populärvetenskapliga böcker, och ”det omöjligas fysik” är Kakus senaste ämne. Fast egentligen är det inte så mycket som är riktigt omöjligt för Michio Kaku. Snarare talar han om många möjliga omöjligheter, sådant som inte är möjligt i dag men fullt tänkbart i framtiden.

– Jag delar in omöjligheterna i tre klasser beroende på hur avancerade de är. Men vi har inte ens kommit till första steget ännu, vi har inte tillgång till tillräckligt mycket ener­gi. Fortfarande är vi för vår energiförsörjning beroende av en så primitiv källa som döda växter, alltså olja och kol.

Nej, en framtida mer avancerad civilisation måste kunna ta hand om planetens resurser mycket bättre. Det kanske vi kan om hundra år, spår Michio Kaku. Då kan vi också göra sådant som faktiskt inte bryter mot kända fysiklagar men som vi än så länge bara fantiserar om – styra vädret, göra oss osynliga och driva motorer med antimateria.

Men det är mycket mer som science fiction-hjältarna kan – de reser ut mot stjärnorna, förflyttar sig i tiden eller slinker i väg till andra världar. Detta är enligt Kaku andra klassens omöjligheter: teoretiskt godkända, även om de fysiklagar som sätter gränser ännu inte är helt förstådda av vetenskapen. Men om några hundra tusen eller miljoner år har vi inte bara begripit det svåra, utan också skaffat oss teknik för att kunna utföra de halsbrytande kons­terna.

Att se in i framtiden

Däremot är klass-3-omöjligheterna helt omöjliga, åtminstone med den förståelse av naturlagarna som vi har i dag. Överraskande nog finns det bland alla fantasier om framtida världar bara ett par helt omöjliga omöjligheter, enligt Kaku.

Att bygga en evighetsmaskin, perpetuum mobile, som producerar energi ur ingenting är och förblir omöjligt, eftersom det motsäger fysikens grundläggande princip om bevarande av energi. Och att förut­säga framtiden kommer inte ens våra barnbarnsbarnbarnsbarn . . . . . . barn att kunna göra. Annars rubbas orsak och verkan-sammanhangen, vilket skulle skaka om hela vår världsbild: orsaken måste alltid komma före konsekvenserna. Eller? Tanken på att få signaler från framtiden har faktiskt slagit fysiker som gett sig in i kvantfysikens bisarra värld.

Takyonernas magi

Ett av verktygen att röra sig bakåt i tiden som Kaku diskuterar närmare är takyoner. De är helt hypotetiska partiklar som färdas snabbare än ljuset, vilket innebär att de rör sig bakåt i tiden.

– Varje gång ett magisk trick ska utföras i Star Trek, eller när det talas om att skicka ett meddelande till det förgångna, dyker takyonerna upp. De lämpar sig utmärkt för science fiction, även om ingen någonsin har sett en takyon.

Frågan är om de någonsin har funnits. Takyoner vistas i en konstig värld där allt rör sig snabbare än ljuset. Detta motsäger inte Einsteins kategoriska gräns för ljusets hastighet som den högsta möjliga – den gäller bara sådant som ska accelereras för att komma upp i den hastigheten. Takyonerna däremot rör sig i överljusfart redan från början, och dessutom går de bara snabbare och snabbare ju mer energi de förlorar. Har de ingen energi kvar, blir deras hastighet oändlig.

Till deras andra säregna egenskaper hör också att massan är imaginär (den innehåller kvadratroten ur –1). Så de skiljer sig från annat exotiskt som redan är känt i fysiken. Som antimateria – den har vanlig massa men negativ elektrisk laddning och kan faktiskt tillverkas på jorden. Eller negativ materia. Även om sådan aldrig har påträffats på jorden, ska den liksom antimateria inte kunna färdas snabbare än ljuset.

Så takyonerna är annorlunda, men hur bisarra de än verkar, har de faktiskt noga utretts. Amerikanska fysiker har föreslagit att man ska studera laserljus för att upptäcka takyonerna – de skulle kunna dyka upp innan lasern ens satts på. Andra hävdar att takyoner bara är ett tecken på att något är fel i kvantteorin.

En tolkning är att de kanske har varit med om big bang men inte längre finns i vårt universum. Kanske var det till och med just takyonerna som fick fart på big bang och på så sätt satte i gång hela vår världs tillblivelse.

Störde falskt vakuum

Man tänker sig då att universum före big bang var i ett tillstånd av falskt vakuum, ungefär som en uppdämd vattenfylld sjö. Att gå över till ett vanligt tomrum skulle för sjön motsvara att dammen spricker och vattnet forsar ut ur den.

Takyoner skulle enligt den bilden vara det som störde det falska tomrummet och fick en liten bubbla, det kosmiska embryot, att gå över i normalt tillstånd. Samtidigt fick de då i gång inflationen – att vårt universum på mycket kort tid blåste upp sig till en flera miljarder gånger större värld. Själva lämnades takyonerna utanför bubblan, vilket skulle betyda att de inte längre finns i vårt universum.

– Visst, allt detta låter som spekulationer som är omöjliga att testa. Men teorin om det falska tomrummet kommer faktiskt att prövas snart i den nya acceleratorn LHC på Cern utanför Genève, säger Michio Kaku. Där jagar man den så kallade Higgspartikeln som i sin ursprungliga form började som takyon.

Vid big bang, tänker man sig, hade inte partiklarna någon massa, utan den fick de senare i och med att det fals­ka tomrummet försvann. Men då försvann ju även takyonerna. Just det är dåliga nyheter för dem som ändå hoppats på att takyonvägen kunna sända meddelanden till det förflutna.

Genvägar till andra världar

Om det inte går att skicka signaler bakåt i tiden går det kanske att resa dit själv? Fast om det skulle visa sig möjligt att färdas tillbaka i tiden, så dyker svåra logiska problem upp. Exempelvis att historiens gång skulle kunna ändras i efterhand. Att förflytta sig tillbaka några decennier och dräpa sin farfar, den så kallade farfarsparadoxen, bör alltså fysikens lagar inte tillåta. Det finns dock ingen uttalad fysikalisk princip som stoppar sådana tidsresor. Och är det inte förbjudet så är det möjligt, resonerar Michio Kaku.

Hur göra då? Ett sätt är att hitta en väg över till en annan värld, ungefär som Alice när hon steg ner i ett kaninhål någonsin i Oxford och hamnade i Underlandet. Att öppna en sådan tunnel i rumtiden, ett maskhål, är möjligt i Albert Einsteins relativitetsteori, där rum och tid formar en elastisk enhet. Rumtiden kan sträckas ut eller pressas ihop så tätt att den bildar ett svart hål där gravitationen är närmast oändlig.

Maskhål är en sorts svart hål i miniformat som också kan bli en genväg till en annan del av vårt universum eller en passage till ett annat universum nästgårds. Tar man genvägen hamnar man på en ny plats och i en annan tid.

Att ta sig genom ett maskhål blir inte enkelt, för gravitationen är så stark att man slits i bitar. Och länge trodde fysikerna att även om man tar sig igenom helskinnad så är maskhålen enkelriktade.

Nyare studier pekar dock mot att det kanske går att återvända och dessutom välbehållen. Men då krävs det att maskhålen byggs upp av exotisk materia med negativ energi. Inga hittills kända naturliga processer leder till att ett maskhål kan bildas, utan de måste skapas på konstgjord väg.

Det fordras dessutom oerhörda mängder energi för att kunna knyckla ihop den kosmiska väven så hårt att ett litet maskhål uppstår. För att skapa ett maskhål med diametern en meter krävs en energimängd som motsvarar massan hos Jupiter, solsystemets tyngsta planet. Tänkbart alltså, men i praktiken omöjligt inom överskådlig tid.

Knyckla ihop rumtiden

Men science fiction är liksom fysik en optimistisk verksamhet, och det finns flera lösningar på hur vi skulle kunna utnyttja Einsteins rumtid för att ta genvägar i kosmos utan att rubba fysikaliska principer.

Vad sägs om att pressa samman rymden framför oss och samtidigt sträcka ut den bakom oss? Då kan man få en illusion av att röra sig snabbare än ljuset, samtidigt som vi själva faktiskt står stilla. Rumtiden faller emot oss, och på ett ögonblick når vi stjärnor som ligger tusentals ljusår från oss. Det är som att i stället för att gå över hela mattan för att komma till andra änden rulla ihop den och direkt hamna på andra sidan.

Ungefär så färdas rymdskeppet i Star Wars-filmerna. Inne i ekipaget råder lugn, men utanför veckas rymden ihop våldsamt. Stjärnstrålarna syns som långa streck framför resenärerna, medan det bakåt är bara svart – ingen ljusstråle hinner i kapp farkosten.

– Det är klart att vi i dag inte förfogar över så mycket energi som behövs för att knyckla ihop rumtiden eller tillverka ett minimaskhål och sedan kasta oss in i det. Men att göra förutsägelser är ju en svår konst. Minns Lord Kelvin, en mycket framstående fysiker som för drygt hundra år sedan hävdade att radion inte har någon framtid och att maskiner tyngre än luft aldrig kommer att lyfta.

Teleportera själen?

Redan i vår tid har många gamla tankar kommit på skam. Till exempel att bli osynlig – att försvinna i en Harry Potter-mantel lät till alldeles nyligen som en saga. För två år sedan tillverkades dock det förs­ta så kallade metamaterialet, där ljusstrålarna går runt föremålen ungefär som vatten strömmar runt en sten. Och reflekteras inte ljuset tillbaka så syns inget. Först klarade forskarna detta bara med mikrovågor, som vi ändå inte kan se, men för ett år sedan gjorde man samma bedrift även med synligt laserljus i grönt och rött. När metamaterialet belystes försvann det ur iakttagarnas åsyn.

Än finns ingen osynlighetsdräkt, men de kommer inom bara några årtionden, förutspår Michio Kaku. Kanske inte en mantel men en cylinderformad sköld. Frågan är bara hur man ska titta ut ur skölden. Om man har hål för ögonen kommer det utifrån att synas två ögon som svävar i luften.

Spöklik verkan på avstånd

Att bli osynlig är alltså inte längre bara science fiction, utan det hör som mycket annat till Kakus klass-1-omöjligheter, sådana som är i antågande. På samma sätt tror Michio Kaku att vi snart ska kunna teleportera oss själva, alltså kunna förflyttas vart som helst på bara ett ögonblick. Teleportering bygger på ett trick från kvantfysiken, spöklik verkan på avstånd enligt Einstein, som aldrig kunde förlika sig med fenomenet.

Bevisligen är det dock möjligt att en kvantpartikel på långt håll kan veta vad en annan gör. Beroende på egenskaperna hos sin tvilling antar den då olika skepnader. Detta sker ögonblickligen så att informationen om partiklarnas förehavanden inte hinner flytta mellan dem – som högst kan information färdas med ljusets hastighet på 300 000 kilometer i sekunden. Alltså måste all kommunikationen ta viss tid. Men när fenomenet observeras i verkligheten tar det ingen tid alls, trots att det största avståndet under försöken med enstaka atomer i dag är så långt som 600 meter.

Än så länge är det bara enstaka atomer, eller snarare egenskaper hos dessa atomer, som har teleporterats. Men snart, om man ska tro Michio Kaku, kommer även männi­skan att kunna överföras på det här spöklika kvantsättet. Fast vad exakt kommer att teleporteras? Inte varje atom eller varje cell för sig, det låter för invecklat – människan består av miljarder celler. Ja vad är det som ska skickas i väg när vi i likhet med kapten Kirk från tv-serien Star Trek säger Beam me up, Scotty?

Parallella världar löser paradoxen

Det är en filosofisk fråga om vad som konstituerar en människa, och den gåtan lämnar Michio Kaku till andra att besvara. Däremot har fysiken några olika alternativ för hur man ska lösa farfarsparadoxen – att vi skulle kunna fara tillbaka i tiden och ändra historiens gång.

Den första lösningen säger att när du åker tillbaka i tiden kommer historien sedan att upprepas på exakt samma sätt om förr. På så sätt finns ingen fri vilja, allt avgörs av ödet som styr historiens gång.

Det andra förslaget hävdar att det finns en hittills okänd lag som helt enkelt förbjuder föräldramord, även om tidsresor är tillåtna.

Det tredje alternativet handlar om kvantfysikens många världar. Universum splittras i två så fort något otillåtet sker i den ena av världarna. Dråp på din farfar kan då äga rum i det ena universumet medan han lever kvar i det andra. Men det finns ingen möjlighet att kommunicera mellan de olika världarna.

Många fysiker förhåller sig kritiska till tankarna om parallella universum. När en kritiker av idén om många världar hävdade att han inte kände sig ett dugg splittrad blev han påmind om att också Galileo fick höra från sina kritiker att de inte kunde känna jordens rörelse. Ändå rör den sig.

Kanske lever fortfarande min farfar och hela släkten i ett parallellt universum? I så fall är det en mycket bättre värld än vår där förintelsen tog livet av dem alla. För oberoende av svindlande färder, magiska vapen och tidens mystiska irrvägar så är det inte uppfinningsförmågan som främst lockar hos science fiction. Snarare är det att tekniken används i kampen mellan det goda och det onda. Och det är alltid det goda som segrar till slut. Men detta hamnar långt bortom fysikens gränser.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar