Tiden före tidens början

Har universum en början? Eller har det funnits i all evighet? Olika religioner har olika svar på dessa frågor. Meningarna är delade även bland moderna kosmologer som med matematikens och fysikens hjälp försöker finna grunderna för vår existens. Vissa hävdar att det är dags att syna big bang-modellen i sömmarna, den teori om universums uppkomst som har dominerat i fyra decennier. De flesta andra ser försök att formulera nya modeller som alltför spekulativa för att ännu kunna tas på allvar.

– Vi tänkte att vi kan börja om och lägga pusslet annorlunda, berättar Paul Steinhardt, amerikansk fysiker från Princeton University. För tre år sedan kom han med en ny skapelseberättelse där vårt universum föds på nytt om och om igen, ett cykliskt universum. Och i ett sådant har tiden flutit i en evig ström. Men tanken utmanar den världsbild som kosmologerna hittills har kommit fram till.

Singularitet stoppar allt

I big bang började vår värld – så lyder den moderna kosmologins standardberättelse. För ungefär 14 miljarder år sedan inträffade en stor smäll i vilken allting skapades: rummet, materien, ljuset och tiden. Att fråga om tiden före big bang är enligt en av de mest kända kosmologerna, Stephen Hawking, som att fråga vad som finns norr om nordpolen. Meningslöst, alltså.

Äldre kristna teologer hade en liknande syn – Gud existerar utanför tiden och rummet, påstod Augustinus på 1200-talet. Tiden är en del av Guds skapelse, och det finns helt enkelt inget före. Ändå envisas människan med att undra.

För Aristoteles och de gamla grekerna var det däremot omöjligt att tänka sig att något uppstår ur intet. Alltså måste världsalltet alltid ha funnits. Liknande tankar levde kvar ända till mitten av 1960-talet hos bigbang-modellens allvarligaste konkurrent – teorin om ”steady state”. Den hävdade att universum har varken början eller slut; det förblir hela tiden i stort sett detsamma överallt. Man anklagade big bang-modellen för att vara religiöst färgad; idén kom också från den belgiske astrofysikern och jesuitpatern Georges Lemaître.

Den moderna kosmologin började med Albert Einsteins relativitetsteori som tog ett helhetsgrepp på rummets och tidens natur. Teorin fick stöd av astronomiska observationer på 1920-talet. Man upptäckte då att galaxerna avlägsnar sig från varandra, att universum expanderar. Då kom också insikten att om man vänder blicken tillbaka i tiden, kunde inte expansionen ha pågått i all oändlighet – någon gång måste den ha startat. Och startskottet var inte vilket som helst: det var big bang, den stora smällen.

Fysiken kom till räddning

På 1960-talet visade bland andra Stephen Hawking att det hela började i en singularitet, alltså en punkt utan storlek där materien hade klämts ihop så tätt att dess densitet och temperatur blev oändligt stora. Med oändliga värden brakar de matematiska beräkningarna samman, så vad som pågår inuti en singularitet är omöjligt att säga. Ledtrådarna till vår kosmiska historia slutade där.

Det största genombrottet för big bang-teorin kom 1965 när två amerikanska forskare fann rester från stora smällens heta glöd i rymdens mikrovågsstrålning. Hettan hade, precis som teorin förutspådde, falnat betydligt. Strålningen har numera en temperatur på knappt 3 grader över absoluta nollpunkten.

Upptäckten av detta svaga eko från big bang blev dödsstöten för teorin om steady state, även om en handfull av dess förespråkare fortfarande hävdar att den gäller. Den brittiske astronomen Fred Hoyle påstod fram till sin död för tre år sedan att big bang är nonsens. Ödets ironi är att det var just han som i ett radioprogram från BBC i London år 1949 med en stor dos sarkasm myntade uttrycket.

Trots att big bang-modellen vann terräng brottades den med några olösta problem, som att universum var för stort och för platt – parallella linjer korsas aldrig i ett sådant. Och så är det i stora drag mycket homogent – om man tittar på galaxer mycket långt bort ser många ut precis som Vintergatan, vår hemmagalax. Men så avlägsna områden kan knappast ha kunnat påverka varandra eller existera under samma villkor. Varför är universum ändå så likartat överallt? undrade kosmologerna.

Den gången räddade fysikerna teorin. Genom en lycklig förening av kosmologi och teorier om materiens minsta beståndsdelar föddes tanken om inflationen: en mycket kort och ofattbart häftig uppblåsning som universum genomgick bara 10-35 sekunder efter big bang. Som en ballong som plötsligt blir oerhört stor. Alla veck och andra ojämnheter i världsalltets väv jämnades då ut. Områden som bara ett ögonblick tidigare låg nära varandra hamnade på helt olika håll. Och då är det inte längre så konstigt att de liknar varandra. Så lämnade inflationen efter sig en slät värld som sedan dess utvidgar sig i sakta mak.

Inflationens framgångar

Sedan nästan ett kvarts sekel är inflationsscenariot kosmologins mest omhuldade idé, en lika stor upptäckt som själva big bang. Inflationsteorin har under tiden vidareutvecklats och bekräftats av en serie astronomiska observationer.

– När vi uppfann inflationen var den nästan magisk – en galen idé men också så fantastisk elegant. Fast jag hade inte minsta tanke på att den någonsin skulle kunna testas i verkligheten, så frågan var mest om man tror på den eller inte, berättar Andrei Linde, fysikprofessor vid Stanford University i Kalifornien.

På 1970-talet fanns han alltjämt vid sitt gamla lärosäte i Moskva där hans äldre kollega, Alexei Starobinsky, kom med den första inflationsmodellen. Ett invecklat teoretiskt bygge som dessutom inte fann sin väg ut genom järnridån.

Men 1981 dök liknande tankar upp i huvudet på en ung amerikansk fysiker, Alan Guth, som också hittade på namnet på den dramatiska uppblåsningen. Hans teori innehöll dock en del fel, som att universum efter inflationsfasen lämnades i en enda stor röra, fullt med små bubblor som flöt runt och krockade med varandra. Inget sådant kunde dock spåras i astronomiska observationer. Efter ytterligare ett år av intensivt arbete på olika håll, där Andrei Linde och Paul Steinhardt var huvudgestalterna, förfinades inflationsteorin och blev på kuppen allmänt accepterad.

Andrei Linde kom så småningom på en ännu vildare idé, den om kaotisk inflation. Om den plötsliga och snabba uppblåsningen kunde äga rum någonstans i universum, kunde det väl hända igen och igen på olika platser. Man behöver bara tomrum och kvantfysikens obestämdhetsprincip. Den tillåter att det ur intet uppstår en liten energibubbla, en kvantfluktuation som i de flesta fall omedelbart förintas. Men här och var börjar den expandera i rasande fart och blir ett nytt universum. Det kan hända att det på olika håll i vårt universum kläcks fram nya bubblor, ja, även vår värld kan ha ynglats av från ett befintligt universum. Och i ett sådant bubblande kosmos har tiden aldrig haft någon början, och har inte heller något slut.

Skymmer big bang

Inflationsteorins framgångar är svåra att överskatta. Nya observationer under resans gång har fått alla konkurrerande modeller att falla bort, och kvar på kosmologernas himmel lyser inflationsteorin ensam. Från att ha varit en ingrediens i ett big bang-scenario har inflationen blivit en egen drivande kraft i ett kosmos där big bang hamnat i skuggan av den kraftiga expansionen. Och det är precis vad som har varit meningen med inflationsteorin. Själva smällen döljs bakom uppblåsningen, inflationen skymmer bangögonblicket som nu förlorar i betydelse, expansionen slätar ju ut allting.

– Teorin fungerar utmärkt, magin har bestått tidens prov och jag förstår inte varför man ska förkasta inflationen till förmån för nya oprövade modeller, säger Andrei Linde.

– Det är väl en naturlig utveckling hos vetenskapen att man vill gå vidare, anser däremot den amerikanske kosmologen Michael Turner. Nu är det dags att titta bortom inflationen, att se vad som hände före tidens början, att hitta på ännu galnare idéer. Det finns ingen anledning att hålla sig kvar vid gamla teorier, hur konstigt det än kan låta att kalla just Andrei Linde för konservativ.

Mörk energi största gåtan

Hur tvivelaktig än kosmologin som vetenskap länge kunde te sig, fick detta definitivt ett slut i och med 1990-talets astronomiska observationer. Då fick teorierna hårda fakta att luta sig mot. Först fick alltså astronomerna en bild av himlens mikrovågsbakgrund, som i minsta detalj stämmer med inflationsteorins förutsägelser. Och så kom 1998 upptäckten att universums expansion faktiskt tilltar, att det utvidgar sig allt snabbare. En okänd mörk energi hejdar gravitationens sammanhållande verkan till den grad att allt flyger ifrån vartannat med tilltagande fart.

– Det kom som en total överraskning, berättar Paul Steinhardt. Det var en slumpmässig upptäckt, och vi var helt oförberedda. Ingenting i våra teorier tydde på att något sådant kunde inträffa. Var kommer den mörka energin ifrån? Hur får vi in den i vår modell av universum?

Det mesta av energin i universum är alltså inte ens materia, vare sig sådan man känner till eller sådan man inte känner till. Nej – den mesta energin finns i form av mörk energi som plötsligt dök upp framför forskarnas ögon en dag för sex år sedan och som inte har någon naturlig plats i big bang-modellen. Se där ytterligare ett nytt skäl att tänka igenom modellen ännu en gång!

Modellen möter även andra utmaningar. Den förklarar visserligen många fenomen, men den säger inte vad som hände före inflationen. Den säger inte heller varför big bang över huvud taget ägde rum så att inflationen kunde bli till. Hur såg universum ut före inflationsfasen, och varför satte det i gång att blåsa upp sig så väldigt? Och vad var det egentligen för sorts händelse, denna big bang? Hur kom det sig att först fanns det ingenting och sedan fanns allting?

Modellen gör heller inga förutsägelser om vad som väntar i framtiden, eftersom det ju beror på vad den mörka energin är för något, och det vet ingen. Ska utvidgningen pågå i evighet? Eller slutar den någon gång? Modellen är alltså inte komplett.

-Det finns också ett annat skäl att pröva nya tankar. Och det är helt enkelt för att se om de hänger ihop och fungerar, säger Paul Steinhardt.

Man skulle kunna tro att ju fler observationer som man samlar på sig av vad som försiggår i rymden, desto tydligare borde svaret på alla frågorna träda fram. Att observationerna skulle leda mot en sammanhängande teori. Och mycket riktigt ger spridningen av galaxer i rymden, utvidgningsaccelerationen, samt fördelningen av olika sorters strålning och temperatur över himlen inte så många olika alternativ för hur helheten kan se ut. Men det kan ändå hända att med alla nya och gamla observationer, så skulle det fungera att lägga ihop pusselbitarna på ett helt nytt sätt.

Det senaste hoppet om att få ihop en annorlunda kosmologi heter strängteori. Strängteorin säger att fysikaliska fenomen är olika manifestationer av mycket små strängar som vibrerar i ett tiodimensionellt rum. Vår tredimensionella värld är bara ett synligt utsnitt, ett membran, eller bran som det också kallas, som flyter i denna mångdimensionella rymd.

Cykliskt universum på nytt

– Vi testade vad som händer om vi i stället för big bang prövar två bran som kolliderar, där ett av dem skulle vara vår värld, berätta Paul Steinhardt. Det kändes helt bisarrt när vi efter två år faktiskt fick fram något som kunde fungera och som absolut inte liknade big bang. Vi kallade det ekpyrotiskt scenario, från grekiskans ord för brand.

Modellen tände heta debatter, medan Steinhardt och hans kolleger utvecklade den vidare till det som han numera kallar för cykliskt universum. I det kolliderar branen periodiskt. Varje kollision fyrar av en ny stor och nästan tom värld som utvidgar sig och där små ojämnheter i början så småningom ger upphov till galaxer, stjärnor och kanske sådana varelser som oss själva. Med tiden blir rymden allt tommare, och efter så där tre triljoner (3 5 1018) år träffas branen igen för att krocka och så frön till nästa värld. Det är alltså ingen hektisk utveckling, och vårt universums 14 miljarder (1,4 5 1010) år är ingenting jämfört med de triljoner som det tar för en hel vända.

Med ett cykliskt universum löses det problem som kritikerna av det ekpyrotiska scenariot tog upp, nämligen att branen vid kollisionen måste vara extremt samstämda för att ge upphov till den värld som vi ser växa fram. Har man chansen upprepade gånger, så kommer branen att släta ut sig och anpassas.

– Inflationen fungerar nästan för bra. Vi ville pröva om det går att överge den, och det går över förväntan. Men inflationen är en mycket flexiblare teori än vår, och det är ju i princip inget fel på den, erkänner Paul Steinhardt. Vårt cykliska universum är ändå ett radikalt och inspirerande alternativ, så vi ger inte upp i första taget.

Beprövad idé

Nu är det inte första gången som människan kommit på att världshändelserna kan upprepa sig. Tanken ingår i exempelvis hinduismens världsbild. Ett cykliskt universum var också en idé som man prövade redan på 1920-talet, men som då stupade på att det var svårt att lista ut hur den nya världen skulle kunna uppstå ur askan.

Även i dag är det allvarligaste problemet just att reda ut vad som händer i själva krocken när branen vänder och börjar röra sig bort från varandra. För att förklara det, behövs avancerade konstgrepp som innefattar en extra och osynlig dimension. Det är till denna osynliga dimension som gravitationen läcker ut från vår vanliga värld. Därför räcker den inte till, och på så sätt kommer den mörka energin och den accelererade utvidgningen naturligt in i den cykliska modellen. Och detta är betydligt mer än vad big bang kan åstadkomma.

– Det är som att prata om liv efter döden, eller snarare före födelsen. Vad kan man säga om det, det går ju inte att testa, säger Andrei Linde.

Själv har han försökt att behålla inflationen och omformulera den utifrån strängteorin, men det är ännu oklart om det kommer att gå.

– Det är ju inte heller så lätt att hålla reda på vad strängteori är för något, definitionen ändras så fort, klagar han.

Kanske kan testas

Ändå är strängteorins huvudfåra i dag att försöka få fram inflationen ur en brankollision som alltså ska motsvara big bang – världsalltets begynnelse. Vilken av teorierna som stämmer bäst kan man enligt Paul Steinhardt bedöma genom att mäta gravitationsvågor i rymden. Inflationen ger nämligen upphov till vågor av gravitation som saknas i hans cykliska scenario. Den dagen som gravitationsvågor går att mäta, och den verkar inte alltför avlägsen med tanke på den planerade europeiska Plancksatelliten, kommer avgörandet att falla.

– Jag är pragmatiskt lagd, säger Paul Steinhardt, och tänker inte hålla fast vid min teori på samma sätt som Fred Hoyle en gång gjorde. Om det visar sig att våra idéer inte bekräftas i observationerna, ger jag upp.

Liknande mätningar kan även fälla en annan modell, ett pre-bigbangscenario, där man med hjälp av strängteorin tar sig förbi big bangsingulariteten. Den har utvecklats av Gabriele Veneziano, teoretisk fysiker vid CERN i Genève. Han var upphovsman till strängteorin på 1960-talet, men fick vänta i över två årtionden innan teorin fick fotfäste inom fysiken.

I Venezianos pre-bigbang har universum funnits sedan eviga tider, och vår värld har en spegelbild på andra sidan stora smällen. Liksom vår värld sträcker även den världen ut sig i oändligheten. Länge var den bara mörk och kall, men gravitationen samlade så småningom materieklumpar som här och var växte i storlek, och inom en del områden ökade tätheten så mycket att materien kollapsade i svarta hål.

Inuti dem fortsatte hopklumpningen, men inte till en dimensionslös singularitet utan till den gräns som sätts av strängteorin – omkring 10-34 meter. Där får kvanteffekterna materien att studsa tillbaka i en kraftig smäll, som föder vår värld. I andra svarta hål föds andra världar, men med dem kan vi inte ha någon kontakt.

Vad dessa olika modeller kommer att leda till – och om det rör sig om fysik eller metafysik – tål att diskutera. Den ryske fysikern och Nobelpristagaren Lev Landau rekommenderade nog litet ödmjukhet när han en gång sade:

– Kosmologerna har ofta fel, men de tvivlar aldrig.