Bråket om vårt uppblåsta universum

Sedan kom inflationen. Ur ett litet korn blåstes hela vårt universum upp med alldeles otrolig fart. Vem har inte hört denna den moderna kosmologins skapelseberättelse? Så enkel att den ryms i ett par Twitterinlägg. Till och med inflationteorins fränaste kritiker erkänner att den rutinmässigt ingår i deras undervisning om kosmologins grunder. Men bland experterna väcker inflationsteorin starka känslor. Särskilt hos en kvartett av dess ursprungligen entusiastiska skapare. – Sedan trettio år tillbaka har det inte gått en enda dag utan att jag tänkt på den, avslöjar Paul Steinhardt, professor vid Princeton university, som lämnade viktiga bidrag till teorins utveckling i början av 1980-talet. Även Andrei Linde, som då bodde i Moskva och i dag är professor vid Stanford university, berättar att han tänker på den kosmiska inflationen och dess gåtor dagligen. Liksom Michael Turner, professor vid Chicago university, och Alan Guth, inflationens fader, i dag professor vid MIT. – Jag med. Tänker på den varje dag. Då är vi fyra, konstaterar han något överraskad på sitt milda vis när vi hörs på telefon en tidig lördagsmorgon. Att alla fyra återkommer till teorin gång på gång betyder dock inte att de är överens. Andrei Linde är beredd att försvara inflationen med näbbar och klor. Medan Paul Steinhardt inte ser någon minsta förmildrande omständighet till att ha den kvar i teorin om universums ursprung. – Från förhoppningen om att kunna förklara allt, förklarar inflationen i dag ingenting. Det är dags att skrota den helt och hållet, menar han. Däremellan står Alan Guth som, liksom de flesta kosmologer i dag, hoppas att frågetecknen så småningom rätas ut. Och Michael Turner som är beredd på överraskningar – något fundamentalt saknas i vår förståelse av fysiken bakom universums tidiga barndom. – Inflationen var, när den kom för trettio år sedan, vid sidan om själva big bang den absolut viktigaste teoretiska idén inom modern kosmologi någonsin, säger Michael Turner utan en sekunds tvekan. I dag ser vi dess brister. Bristfällig var inflationen faktiskt redan när den föddes en tidig morgon i december 1979. Aldrig tidigare hade Alan Guth cyklat så snabbt till jobbet i Palo Alto, Kalifornien. På 9 minuter och 32 sekunder var han på plats vid skrivbordet. Väl där gjorde han en anteckning i sin dagbok: Sensationell insikt. Så ritade han en ram runt den. Och så en ram till – det var en viktig upptäckt. Föregående natts uppenbarelse såg faktiskt vettig ut även i dagsljus: det tidiga universum var fyllt med mörk energi som fick det att utvidga sig obegripligt snabbt. Strax efter big bang, mellan 10^–36 och 10^–33 sekunder, sträcktes en liten hörna av universum ut 10 miljoner triljoner (10²⁵) gånger åt alla håll. Inflationsteorin var född, även om det dröjde några månader till innan Alan Guth kom på själva namnet. Egentligen var det inte kosmologiska frågor utan fysikens stora partikelteori, GUT – grand unified theory – som Alan Guth försökte få ihop. Teorin förutsade bland annat att det i big bangs hetta skapades en stor mängd magnetiska monopoler. En magnetisk monopol är magnetens ensamma syd- eller nordpol. Det är som en snörstump med bara en ände. Och sådana finns ju inte. Enligt GUT-teorin borde dock monopolerna finnas här. – Guth var imponerande orädd när han presenterade inflationen, säger Michael Turner. Ändå var han ödmjuk. Han var säker på att han gjort en viktig upptäckt men påpekade att hans egna beräkningar inte fungerade. Samtidigt var tanken så djärv och lockande. Lockelsen bestod i att inflationen löste flera svåra kosmologiska frågor i ett enda svep. Guths första fråga, den om de magnetiska monopolerna, föll direkt på plats – hur många monopoler som än kan ha skapats i big bang, så blev de utspädda och därmed ytterst sällsynta i det uppblåsta universum. Därför har de inte påträffats ännu. Så var det paradoxen med universums massa. Enligt relativitetsteorin kröker massa rymden med sin gravitation. Men universum verkar i stor skala innehålla exakt så mycket massa att det är plant. Det var svårt att förklara utan inflation. Ett plant universum måste redan från födelsen ha hamnat nära den kritiska gräns som skiljer ett universum som expanderar för evigt från ett där expansionen hejdas av gravitationen och som vänder tillbaka för att krossas i en big crunch. Det är som att få en penna att stå och balansera på sin spets. I nästan 14 miljarder år. Ganska osannolikt, alltså. Men om universum blåstes upp av inflationen så kan även denna gåta få sitt svar. Universum blir plant som när vi ser ett avsnitt på ytan av en ballong – ju större ballongen är desto planare blir dess yta. Något annat som plågade big bang-kosmologin före inflationen var det så kallade horisontproblemet. Vart man än tittar så ser universum ungefär likadant ut, med spridda galaxer och galaxhopar, och även temperaturen verkar ganska jämnt fördelad åt alla håll. Områden som är så långt från varandra att de aldrig kan ha hunnit få kontakt, inte ens med ljusets hastighet, är likartade. Utsikten borde variera mycket mer om den tillkom i något så tumultartat som big bang. Fast om hela universum hade utvidgats som inflationen föreskriver, så låg de numera mycket avlägsna regionerna en gång i tiden nära varandra. Då är det inte märkvärdigt att de är lika. Inte att undra på att kosmologerna nästan tappade andan av Alan Guths genidrag. Men, som det brukar sägas, djävulen sitter i detaljerna. Alan Guth insåg genast utmaningarna. Den största av dem var att hans inflation skapade ett virrvarr av världar, bubblande huller om buller som i en kittel med kokande vatten. Ingen av dem påminde om ett universum som man kunde känna igen. Inflationen fungerade helt enkelt inte. – Jag hörde Alan Guth 1980 på Harvard, berättar Paul Steinhardt. Han berättade om sin fantastiska idé vars beräkningar ledde fel. Det var synd på en så vacker tanke, så jag tänkte ägna den några veckor. Nu har det gått trettio år och jag jobbar fortfarande med de här frågorna. Andrei Linde däremot var från början inte främmande för tanken på inflation. Hans kollega i Moskva, Alexei Starobinsky, hade faktiskt redan ett par år tidigare kommit med ett liknande förslag, fast han förstod inte då dess potential för kosmologin. Så när Linde hörde talas om Guth var han redo att ge sig hän. Hemligheten med inflation är att få fram tillräckligt med superenergi som orkar driva fram den ofantliga uppblåsningen och sedan försvinna. Det kan låta svårt men sådana knep är kända i fysiken som fasövergångar – som när vatten fryser till is eller en vattenbubbla plötsligt brister. Något liknande kunde hända med universums okända energifält, som efter en kort och intensiv uppblåsning plötsligt skulle förvandla sin enorma energi till vanlig materia och strålning. Superenergin skulle få sin källa i tomrummets energi som ansvarar för inflationen, tänker man sig. I fysiken är ett tomrum inte alls tomt; i själva verket är det ett oerhört komplicerat tillstånd med partiklar och antipartiklar som ständigt poppar upp för att omedelbart förintas, allt enligt av kvantteorin bestämda regler. Detta tomrum kunde ge näring åt inflationen. Flera sådana specialtomrum, eller kvantfält, är kända sedan tidigare inom fysiken, som magnetfältet eller Higgsfältet som tilldelar elementarpartiklarna deras massa. Men för inflationen fanns inget känt kvantfält, så det gällde att hitta på ett sådant. Det döptes till inflatonfältet. Ingen vet vad inflatonfältet kan vara för något. Det enda säkra är att dess energi kan fungera som något slags omvänd gravitation, antigravitation. I stället för att som gravitation dra ihop materien blåser antigravitationen isär den. År 1982 kom Andrei Linde i Sovjetunionen och Paul Steinhardt i USA oberoende av varandra med var sitt förslag på en lösning. De beskrev hur inflatonfältet bör se ut och löste på så sätt Guths ursprungliga svårigheter. Deras nya inflation gäller än i dag, bara fältet varierar. Så numera finns det många olika modeller för hur inflationen kan ha gått till: evig inflation, kaotisk, ny och gammal, självreproducerande, utvidgad … – Inflation är ingen teori, det är en säck full med idéer, säger Michael Turner. Det är ett paradigm, något som vi snarare tror på än kan bevisa. Vad vi än hittar i våra mätdata så kan resultaten passa in i någon av inflationsteorierna. Ingenting kan falsifiera inflationsteorin, och därmed störta den. Alan Guth håller faktiskt med om att det inte går att ogiltigförklara inflationen som är en hel bunt av teorier. Å andra sidan hoppas han att någon så småningom hittar den rätta teorin bland alla dem som finns i omlopp i dag. – Att bara se till falsifiering som ett kriterium på en bra teori är en grov förenkling, menar han. Det är sällan på det sättet som vetenskapen framskrider. Snart visade det sig att om inflationen inträffade en gång så kan den upprepas gång på gång och fortsätta i en evig inflation. Det leder till ett multiversum där vårt eget universum bara är ett bland en oändlig mängd andra möjliga världar, förmodligen helt olika vår egen. – Se vad inflationsteorin har lett till: om allt är möjligt så finns det ingenting att förklara, säger Paul Steinhardt. Vad vi än upptäcker har det redan förutsagts av teorin om multiversum – om allt redan är förutsagt. Multiversum är en total katastrof för vetenskapen. Alan Guth håller inte med. Evig inflation är faktiskt hans favorit. – Vi vet däremot inte riktigt hur vi kan beskriva sannolikheten för att någonting ska inträffa i ett multiversum. Det betyder inte att det är ogörligt, bara att vi inte kan det ännu. – Det löser sig så småningom – så har vi sagt i nästan trettio år nu, säger Paul Steinhardt. Någon gång måste vi väl erkänna att vi behöver börja om från början. Samtidigt har jag ett slags schizofrent förhållande till inflationen, eftersom också jag drogs mot den från början. Andrei Linde kämpar med multiversum på sitt håll. Han försöker förena inflationsteorin med strängteorin. Strängteori är fysikens mest lovande moderna teori för en helhetsbild av universum och de krafter som verkar i det. I strängteorin består multiversum av minst 10⁵⁰⁰ olika universum. Det är en oerhörd mängd världar, att jämföra med vårt universums alla partiklar som ”bara” är 10⁸⁰. Att införliva inflationen i strängteorin visade sig vara en svår balansakt. Så vad är det för problem med inflationsteorin? – Vem har sagt att den har problem? svarar Andrei Linde blixtsnabbt. – Vet du varför sovjetiskt jordbruk gick så illa? frågar han. Jo, för att varje partikongress medförde en drastisk vändpunkt i utvecklingen. Ge mig en giltig kosmologisk teori om big bang, så kommer inflationen att stämma in i den, lovar han. Andrei Linde klagar alltså på riktlinjerna, de teorier som kan ge en bakgrund till inflationen och förklara vad som har lett till att den kunde ha startat från början. Än så länge finns det ingen enhetlig strängteori, bara en samling teorier som ger olika villkor för inflationens startpunkt. Starten är inflationens svaga punkt, menar Lindes ärkerival, Paul Steinhardt. Hur man än ser på tiden före inflationen så krävs det en helt osannolik finjustering av villkoren för att den ska börja över huvud taget. Dessutom är chansen minimal att inflation ska blåsa upp en sådan värld som vi kan leva i. I själva verket är det många många gånger mer sannolikt att inflationen leder till misslyckade universum. Och ännu mer sannolikt är den inte startar alls. Fast det är förstås inte alla som skulle hålla med Paul Steinhardt om detta. Hur än inflationen startar och slutar så skymmer den effektivt allt som hände före den. Så inflationen handlar inte om universums uppkomst från början, den beskriver bara en början strax efter början i big bang. Hur rörigt universum än var omedelbart efter big bang så kommer den enorma expansionen att lämna efter sig en välordnad värld, den bubbla som vi lever i. Så, efter att inflationen avstannat, fortsatte expansionen i saktare mak och gör så än i dag. Å andra sidan är det just detta som är inflationens styrka – det behövdes ingen finjustering av universums egenskaper vid starten, alla ojämnheter jämnades ändå ut av den enorma uppblåsningen. Något blev dock kvar. Små kvantfluktuationer uppstod i inflationens slutfas. Det var störningar i materiedensiteten som med gravitationens hjälp kunde börja klumpas ihop allt eftersom och bilda frön till galaxer, stjärnor, planeter och så småningom till oss själva. Kvantfluktuationerna kan mätas direkt i den kosmiska mikrovågsstrålningen, det svagt glödande återskenet av big bang. Dessa kosmiska mikrovågor bildar en bakgrund över hela himlen, och de är nästan jämnt fördelade. Men bara nästan. Det finns små, små variationer, och det finns ett mönster. Den som först upptäckte detta mönster var Cobe-satelliten 1989, en upptäckt som belönades med Nobelpriset i fysik 2006. Andra satellit- och markexperiment har förfinat mätningarna. Hittills sägs alla data stämma med teorin om inflationen, men ett slutgiltigt bevis saknas. Det kan komma i mätningarna från Planck-satelliten som håller på att skanna himlen för att avslöja sina resultat i januari 2013. Först då kan kanske någon av inflationsteorins prognoser testas. Men Michael Turner har inte mycket till övers för dessa förutsägelser. Teorin säger bara vad som nästan kan hända, menar han. Men vad betyder det? Om till exempel någon storhet sätts till 1,00 och inflationsteorin säger att vi ska observera den, vad innebär då det? Ska vi se något som är 1,02? Eller 0,16? Inflationen ger oss faktiskt ingen fingervisning, ingen förutsägelse, förrän i efterhand. I trettio år har fysikerna och kosmologerna stångats med inflationsteorin utan att hitta en utväg för att kunna lösa de viktigaste knutarna. – Ändå vill jag inte överge den. Den är oerhört vacker, säger Michael Turner. Och den kan till och med visa sig vara sann.