Det ingen vet

Om ett par år, möjligen redan 2005, kommer fysikerna kanske att tillverka riktiga svarta hål i laboratorium. Möjligheten öppnar sig på det europeiska laboratoriet för partikelfysik utanför Genève, CERN, när den nya kollideraren – LHC (Large Hadron Collider) – uppnår mycket höga energier.

Jag vill omedelbart lugna alla dem som oroar sig för att ett konstgjort svart hål kommer att sluka först LHC, sedan Genève och till sist hela jorden. Nej, inget sådant kommer att inträffa. Det blir bara små svarta hål, ungefär en miljon gånger mindre än en atomkärna – alltså helt ofarliga. Dessutom har den världsberömde brittiske fysikern Stephen Hawking visat att sådana minimala svarta hål lever en ofattbart kort tid: de dunstar bort direkt efter tillblivelsen.

Tvärs igenom jorden

I själva verket är även större svarta hål mindre farliga än många av oss skulle tro. Om en rymdsten som är 10 kilometer i diameter träffade jorden skulle katastrofen drabba hela vår planet. Förmodligen var det just detta som hände när dinosaurierna dog ut för 65 miljoner år sedan.

Men om ett svart hål med motsvarande massa träffade jorden skulle förödelsen bli begränsad, eftersom ett svart hål med sådan massa inte är större än en atomkärna. Det skulle passera tvärs igenom jorden utan någon större skada. De svarta hål som kanske kommer att skapas på CERN blir som sagt ännu en miljon gånger mindre.

Fysikerna avser att producera de svarta minihålen genom att accelerera protoner upp till hastigheter nära ljusets och sedan krocka dem med varandra. Den energi som då frigörs blir lika koncentrerad som den var bara en kort tid efter big bang. Forskarna förmodar att denna energikoncentration inte bara tillåter svarta hål att uppstå, utan också att vi ska kunna komma några av naturens yttersta hemligheter på spåren. En sådan hemlighet är fortfarande gravitationen.

Isaac Newtons teori beskriver gravitationen mellan två kroppar som en kraft som ökar med kropparnas massa och minskar med avståndet dem emellan (i kvadrat). Teorin beskriver planeternas rörelse i solsystemet med ”astronomiskt” stor noggrannhet, men ändå inte tillräckligt noga. Mycket precisa mätningar av planeternas verkliga rörelser på himlen visar på små avvikelser från teorin. Alltså beskriver Newtons teori tyngdkraften bara ungefärligt. Och den förklarar inte heller gravitationens orsaker.

Albert Einsteins gravitationsteori stämmer däremot perfekt med de noggrannaste mätningar av planetrörelser i vårt solsystem, liksom med observationer av de pulsarer som kretsar runt varandra i dubbelstjärnesystemet PSR 1913+16. Pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor som sänder ut strålning i två motsatta strålknippen och därför kan synas som en blinkande himlakropp om jorden ligger i någon av strålriktningarna. Hos pulsarerna måste man ta hänsyn även till gravitationsstrålning som var okänd för Newton men som Einsteins teori förutsäger. För upptäckten av dubbelpulsaren och bekräftelsen av gravitationsstrålningen fick amerikanerna Joseph Taylor och Russell Hulse Nobelpriset i fysik år 1993.

I Einsteins teori är inte tid och rum separata utan förbundna i en fyrdimensionell rumtid. Gravitationen beskrivs där som rumtidens krökning. Om krökningen är liten, vilket den är överallt i solsystemet, blir Newtons och Einsteins förutsägelser nästintill identiska. Egentligen kan Newtons teori härledas ur Einsteins teori, som dess approximation.

Men när krökningen är stor skiljer sig teorierna väsentligt. Därför kan Newtons teori inte beskriva pulsarer, svarta hål och andra kompakta objekt där rumtiden är kraftigt krökt, utan där tillämpas Einsteins gravitationsteori bäst. Problemet är att enligt Einstein är krökningen innerst inne i det svarta hålet alldeles för stor – den är oändlig.

Singularitet en gåta

Detta är ett mycket allvarligt problem i dagens fysik, eftersom den teoretiskt beräknade oändliga krökningen blir en så kallad singularitet, något som vi inte kan acceptera. I naturen finns inte plats för vare sig tomrum (vilket redan Aristoteles kände till) eller singulariteter, det vill säga punkter med oändlig rumtidskrökning.

Om en singularitet dyker upp i våra beräkningar, har vi antingen räknat fel genom att ha gjort oriktiga förenklingar eller för grova uppskattningar. Eller – ifall beräkningarna är riktiga – måste teorin vara felaktig. I det senare fallet har vi missförstått något grundläggande i fysiken.

När det gäller gravitation har vi inte gjort något beräkningsfel. Stephen Hawking och hans brittiske fysikerkollega Roger Penrose har nämligen visat att om man beskriver svarta hål med Einsteins teori, måste det inuti hålet lura en singularitet. Matematiskt är detta bevis oantastligt. Det innebär att Einsteins teori missar något väsentligt i sin beskrivning av verkligheten. Men vad? Ingen vet.

Världens fysiker är överens om att den viktiga men oförstådda aspekten av vår verklighet är kvantgravitationen, dvs en förening av Einsteins gravitationsteori och kvantfysiken. Dessa båda teorier står i dag var och en för sig. Detta innebär i sin tur att Einsteins teori behöver modifieras – mer eller mindre. Hur ska vi göra det? Det finns många idéer, till exempel strängteori. Men kan strängteorin eller någon annan av de föreslagna, men långt ifrån slutförda, försöken att kvantisera gravitationen ge framgång? Ingen vet.

Mörk materia elimineras

Einsteins teori ger, som redan påpekats, exakta förutsägelser av fenomen inom planetsystemet. Vi har inte upptäckt några avvikelser mellan dess förutsägelser och de noggrannaste mätningarna. Men stämmer teorin även i ännu större skala eller, för den delen, i mindre skala? Det är vi mycket mindre säkra på.

Strax utanför vår galax är rumtidens krökning så liten att Newtons och Einsteins teorier ger samma värden. Något stämmer dock inte, eftersom det inte finns tillräckligt med synlig materia i vår galax för att ge den gravitation som krävs för att hålla kvar stjärnorna i Vintergatan. Så antingen rymmer vår galax mängder av mörk materia som vi inte kan se därför att den inte lyser, eller så är teorierna felaktiga.

Utan tvivel finns det mörk materia i vår galax. Den kan sedan några år tillbaka observeras genom att man utnyttjar fenomenet med så kallade gravitationella mikrolinser. Det innebär att när ljus från mycket avlägsna stjärnor passerar den mörka materien böjs ljusstrålarna av och avslöjar på så sätt indirekt att materien finns. Men gåtan med mörk materia är inte löst för det. Fortfarande fattas det materia för att observationerna ska kunna stämma med gravitationsteorins förutsägelser.

Experterna är delade. Vissa anser att det måste existera ännu okända former av mörk materia, medan andra lutar åt att det är gravitationsteorin som behöver modifieras, åtminstone när det gäller galaxer. En av de första som föreslog ändringar i gravitationsteorin var Mordechai Milgrom vid universitetet i Tel Aviv, Israel. Hans teori stämmer med observationerna utan att någon okänd mörk materia behöver tillgripas. Enligt min åsikt, som de flesta fysiker dock inte delar, är Milgroms teori helt riktig, åtminstone i de delar som beskriver verkligheten. Dock förebådar den inte den av alla förväntade grundläggande nya teorin för kvantgravitation.

I den lilla skalan, på millimeternivå eller mindre, är situationen mycket värre. Där saknas nästan helt mätningar som kan beskriva gravitationens verkan. Sådana försök är tekniskt oerhört svåra att genomföra. Experimenten måste göras på kroppar som är så små att gravitationens verkan blir för svag att mäta. Inte förrän nyligen, mot slutet av 1900-talet, visade amerikanska forskare i Washington att Einsteins teori, och den därifrån härledda Newtons lag om att gravitationskraften minskar med kvadraten på avståndet mellan kropparna, gäller ända ner till avstånd på tiondels millimeter.

Men stämmer den för ännu kortare sträckor? Behöver man modifiera Einsteins gravitationsteori för att den ska gälla även på extremt små avstånd och samtidigt slippa singulariteter? Ingen vet.

Kvantmekaniken ofelbar

Det är kvantmekaniken som står för beskrivningen av världen på atom- och molekylnivå. Denna teori är lika grundläggande för vår moderna förståelse av den fysikaliska verkligheten som Einsteins gravitationsteori. I alla experiment och mätningar som dagligen görs i tusental universitets- och industrilaboratorier runt om i världen kan man konstatera att kvantmekaniken ofelbart beskriver beteendet hos elementarpartiklarna.

Kvantmekanikens principer visar sig även osvikliga i den praktiska tillämpningen inuti miljoner elektroniska apparater. Man har aldrig vid något enda tillfälle noterat en minsta avvikelse från kvantmekanikens förutsägelser. Men vi måste komma ihåg att alla experiment och mätningar görs här på jorden eller inom solsystemet där krökningen av rumtiden är liten. Bör man ändra kvantmekaniken så att den även ska omfatta stora krökningar? Hur ska det gå till? Ingen vet.

Däremot är det många som försöker ta reda på svaret. Det finns flera seriösa och med varandra konkurrerande teorier för kvantisering av gravitationen. Några forskare föreslår förändringar av gravitationsteorin eller av kvantmekaniken så att de fungerar ihop, medan andra forskare föreslår en enad teori för båda.

En sådan ny teori har föreslagits av fysikerna Savas Dimopoulos vid Stanford University och Greg Landsberg vid Brown University i USA. Teorin säger att rumtiden har fler dimensioner än bara fyra. Att rummet kan ha fler än tre dimensioner, där de extra dimensionerna är undangömda, föreslog redan den polsk-tyske fysikern Theodor Kaluza och den svenske fysikern Oskar Klein i början av 1900-talet. I deras teori är den extra fjärde dimensionen hoprullad och så liten att vi inte kan se den ens i de noggrannaste experiment.

På liknande sätt är en tunn tråd endimensionell inför våra ögon: vi ser bara längden. Men små varelser som kan gå runt trådens omkrets känner av även dess andra dimensioner. Genom att införa en fjärde dimension i rummet lyckades Kaluza och Klein förena gravitationsteorin med elektromagnetismen till en gemensam teori, vilket var den stora utmaningen i början av förra seklet. Fysikerna tror att på samma sätt som naturen bara är en enda, borde den kunna beskrivas med en enda teori.

Idéerna kan nu prövas

På Kaluzas och Kleins tid kände man inte till all slags växelverkan som finns i verkligheten. Deras teori har därför inte kunnat bli den grundläggande teorin för naturen, och i dag är den enbart av historiskt intresse. Däremot är deras idé om att man kan beskriva fysikaliska fenomen genom att införa extra och osynliga dimensioner högst aktuell. Det är just så många fysiker föreställer sig vår värld – att den är mångdimensionell.

Bästa exemplet är strängteorin där rumtiden har elva dimensioner, och där materia och strålning bara är uttryck för de extremt små strängarnas vibrationer. Vitsen med Dimopoulos och Landsbergs nya teori är inte att de inför extra dimensioner utan att dessa inte är så små som i tidigare förslag. Hittills har fysikerna förutsatt att de extra dimensionerna borde vara tätt hoptvinnade och därmed helt gömda, inte bara för våra sinnen utan också omöjliga att upptäcka med modern experimentell teknik.

Den nya teorin plockar fram de extra dimensionerna ur gömmorna, rullar upp dem och förstorar dem. Teorin förutsäger att det faktiskt skulle gå att göra fysikaliska experiment med de extra dimensionerna.

På avstånd som är relativt stora jämfört med de gömda dimensionerna är rummet i praktiken som vanligt – tredimensionellt. Gravitationen och andra krafter beter sig normalt. Avvikelsen dyker upp först när avstånden blir jämförbara med storleken på de gömda dimensionerna. I den nya teorin verkar gravitationen i hela det flerdimensionella rummet, medan de andra av naturens grundläggande krafter – den svaga och den starka kärnkraften samt den elektromagnetiska kraften – begränsas till rummets tre vanliga dimensioner. Medan de andra krafterna alltså beter sig som vanligt kommer gravitationen att visa sig relativt starkare.

Därför kommer gravitationen på extremt små avstånd att öka väsentligt mer än vad som framgår av Newtons och Einsteins teorier. Då blir det lättare att skapa ett svart hål, och kanske kan vi också komma kvantgravitationen på spåren. Och då förstår vi möjligen vad det är som vi inte har förstått när singulariteterna dyker upp i våra beräkningar. Det är precis vad CERN-fysikerna hoppas på. Om de verkligen kommer att få fram små svarta hål? Ingen vet.