Neil Turok: Universum är enklare än vi tror

Symboler, figurer och ekvationer fyller de svarta tavlorna som finns överallt i de ljusa labyrintiska lokalerna. Här på Perimeter Institute i Waterloo nära Toronto i Kanada möts världsledande fysiker för att lösa universums stora gåtor. Stephen Hawking är bara en av alla namnkunniga fysiker som varit här och diskuterat tänkbara lösningar. Hur kommer det sig att det finns materia i universum, men inte motsvarande mängd antimateria? Vad består den mörka materian av? Vad hände egentligen i big bang?

De här frågorna står kvar som envisa konstanter. Många fysiker talar om en kris eftersom de stora omvälvande genombrotten de hoppats på fortfarande låter vänta på sig.

Forskning & Framsteg har rest hit för att söka efter nya idéer inom den teoretiska fysiken. Höjdpunkten blir att få träffa institutets tidigare chef, Neil Turok. Efter att ha lämnat över ledarskapet ägnar han sig nu helt och fullt åt sina idéer, som ifrågasätter hela den teoretiska fysikens inriktning.

Med lugn och låg röst börjar han berätta om sina tankar.

– De flesta skulle nog säga att vi har gjort ständiga framsteg. Min åsikt är att det visserligen är sant, men för astronomiska observationer. Observationerna har övertygat mig om att vi är på fel spår. Naturen är enklare och mer subtil än vi trodde, säger han.

Framför allt inspireras Neil Turok av att universum har visat sig vara så pass enkelt. De flesta av oss tänker inte på kosmologin i sådana termer – hur kan hela universum betraktas som något enkelt? Men för Neil Turok är det tydligt.

– En organisk molekyl är ett mer komplicerat objekt än hela universum. Universum är vansinnigt enkelt i stor skala.

Förklarar världsalltet med fyra tal och ett tillägg

Han förklarar att världsalltet kan beskrivas med bara fyra tal samt ett litet tillägg.

Det första talet är tätheten av en sorts bakgrundsenergi, som fyller hela rymden. Talet kallas för den kosmologiska konstanten, och ger en storlek på den mörka energin som får universums expansion att accelerera.

Det andra talet är tätheten av mörk materia i universum.

– Den mörka materian uppför sig som om det är ännu en typ av partikel. Den klumpar ihop sig under gravitation, och hjälper galaxer att bildas, men vi kan inte se den med hjälp av ljus.

Här skjuter Neil Turok in en cliffhanger till sin egen modell av universum:

– Jag ska berätta senare vad jag tror att den mörka materian är för något – återigen är det något mycket enkelt.

Det tredje talet är antalet atomer i universum – eller striktare uttryckt – antalet baryoner, partiklar av den typ som finns i atomkärnan.

Tillsammans beskriver de tre talen universums energiinnehåll. Det fjärde talet i Neil Turoks enkla beskrivning av världsalltet har att göra med dess geometri.

– När universum kom ut ur big bang var det inte exakt likadant överallt. Tätheten varierade lite, som krusningar på havets yta. Storleken på de här krusningarna är ännu ett tal.

De här fyra talen räcker i stort sett för att beskriva hela vårt universum i stor skala, säger Neil Turok.

Den enda lilla modifikationen han vill lägga till ovanpå detta är att styrkan på de ursprungliga täthetsvariationerna beror på våglängden – de är lite kraftigare för stora krusningar än för små.

– Det är en mycket liten effekt, men den finns där, säger Neil Turok.

Det är detta han menar med att universum är enkelt. Dess struktur kan beskrivas med några tal, mer behövs inte.

Teorier är obegripligt komplicerade 

– Samtidigt har våra teorier blivit obegripligt komplicerade. Vi började med stora förenade teorier på 1980-talet. Principen var att lägga till fler partiklar och fält och storheter, med förhoppningen att helheten skulle bli enkel.

Men det här sättet att arbeta har hittills bara gett krångligare beskrivningar.

Neil Turok tänker sig att den stora grundläggande teorin bakom universum borde återspegla den enkelhet han ser i hur universum är uppbyggt i stor skala. Han är väl medveten om att hans egna idéer kan vara helt uppåt väggarna, men han är ivrig att få följa upp dem och se om de leder någon vart. Han har arbetat i flera år tillsammans med andra fysiker, och föreslår en annan sorts modell än de komplicerade teoribyggen han vill komma bort från.

– Vår utgångspunkt är att big bang är en helt galen händelse. Någonting skapas ur ingenting. Hur kan det hända?

Naturen är ekonomisk

Neil Turok och hans medarbetare tänker sig att samma princip som gäller när partiklar skapas, gäller för hela universum. Tanken är att naturen är ekonomisk, och återanvänder samma grundmönster.

I ett starkt elektromagnetiskt fält kan partiklar uppstå ur ett vakuum. Detta är väl känt sedan länge. Partiklar bildas alltid i par: En elektron med negativ elektrisk laddning bildas alltid tillsammans med sin antipartikel, den positivt laddade positronen, och de dras isär av det elektriska fältet.

– Vi vill se om vi kan göra en matematisk beskrivning av universums början som är analog med hur partikeln uppstår. Universum kan på samma sätt ha blivit framdraget, kanske av den mörka energin. Mörk energi får universums expansion att accelerera, precis som ett elektriskt fält accelererar en partikel.

Neil Turok ritar på sin svarta tavla och förklarar. Ett sätt att se på partikeln och antipartikeln är att de egentligen är en och samma, men antipartikeln rör sig bakåt i tiden. Då blir det naturligt att den har samma massa och samma laddning fast med motsatt tecken.

Han pekar på punkten där partikeln och antipartikeln möts. De båda sidorna av bilden förbinds med varandra av en symmetri. Partikeln blir identisk med antipartikeln om laddningen inverteras (vilket beskrivs med symbolen C), alla rummets koordinater byter riktning (P), och tiden också byter riktning (T). Symmetrin kallas CPT.

Neil Turok vill beskriva universum på samma sätt. Han börjar med att rita en kon, en abstrakt förenkling av hur universum expanderar ut från big bang.

– Den här vanliga beskrivningen är lite konstig. Det är bara materia som kommer ut ur big bang, och bara expansion. Men symmetrin relaterar expansion till kontraktion, och materia till antimateria. Så låt oss behålla den symmetrin! 

Ett antiuniversum balanserar vårt universum

Så ritar han ännu en kon, som förenas med den första konen där den smalnar av till en punkt. Det blir ett antiuniversum, som balanserar vårt universum.

– Vi har bara materia och bara expansion som kommer ut från big bang. Men den här symmetrin relaterar expansion till kontraktion och materia till antimateria. Låt oss bara behålla den symmetrin – slutsatsen är ett sådant tvåsidigt universum.

Där vårt universum utvidgas, drar det andra ihop sig. Där vårt universum domineras av materia, innehåller antiuniversum motsvarande antimateria. Förhållandena i vårt eget universum ter sig inte så gåtfulla längre, när de balanseras mot sin omvända motsvarighet.

Med hjälp av den här symmetrin kan Neil Turok och hans kolleger sedan göra sina svårgenomträngliga kvantfysikberäkningar. De kommer då fram till en del slutsatser om universums egenskaper. Bland annat pekar resultaten på en förklaring av universums mörka materia.

– I partikelfysikens standardmodell finns en helt uppenbar kandidat till den mörka materian, säger han och ser mycket nöjd ut. 

För att förstå det måste vi först veta att standardmodellen innehåller tre neutriner, och att deras spinn (en egenskap som rent matematiskt är lik en rotation) alltid är riktat i motsatt riktning mot deras rörelse. Det kallas för att de är ”vänsterhänta”.

Men i standardmodellens grundformulering har neutrinerna ingen massa. Upptäckten att de faktiskt har massa ledde till Nobelpriset i fysik år 2015 (F&F 11/2015). För att de ska kunna ha massa förutsäger teorin att det också ska finnas högerhänta neutriner. De högerhänta neutrinerna växelverkar i stort sett inte alls med andra partiklar, och ingår alltså inte i några reaktioner där partiklar bildas eller förintas – därför kallas de också för “sterila” neutriner.

– De högerhänta neutrinerna är väldigt märkliga partiklar. De måste vara mycket tunga, för ju tyngre de är, desto mindre påverkar de massan hos de vanliga, vänsterhänta neutrinerna. Vi kan inte tillverka dem i laboratoriet. De måste finnas, men vi kan aldrig se dem. Fint! De kan vara den mörka materian.

Det bästa av allt är att den här hypotesen ger några tydliga förutsägelser, som kan komma att testas inom de närmaste åren. Ingen har ännu lyckats mäta massan hos neutrinerna, utan bara skillnaden mellan deras massor. Enligt Neil Turok måste den lättaste neutrinons massa vara inte bara nära noll, utan precis noll. Dessutom förutsäger han att det finns en typ av kärnreaktion som kallas neutrinolöst betasönderfall, och som i så fall kanske kommer att upptäckas snart.

Det återstår mycket arbete för att avgöra vad som faktiskt stämmer. Men Neil Turok lutar åt att lösningen inte kommer att vara upptäckten av några nya partiklar och fält, utan något som åtminstone i någon mening är mycket enklare.

– Jag har en känsla av att vi redan har lärt oss alla fysikens lagar. Vi har bara inte lärt oss att använda dem. När vi lärt oss det kanske allting faller på plats.

Han är inte den enda fysikern på Perimeter Institute som arbetar med spretiga uppfattningar om vad som är den mest fruktbara vägen mot att förstå världsalltets grundläggande lagar.

”99 procent av allt som görs här är fel”

– Jag kan garantera att 99 procent av allt som görs här är fel. Det finns inget tvivel, säger Neil Turok med ett skratt.

Det finns inga garantier för att hans egen väg blir mer framgångsrik än någon annan, men han ser fram emot att jobba vidare med den. Framtiden kommer att utvisa vad som faktiskt stämmer. Den slutliga domaren är alltid experiment och observationer, som visar hur verkligheten är beskaffad.

– Jag förutspår att vi kommer att ha spektakulära framgångar inom observationer i fysiken under de närmaste tio åren. Svarta hål, gravitationsvågor, och så vidare.

Däremot är det svårt att säga hur den teoretiska fysiken kommer att utvecklas.

– Jag skulle påstå att hela fältet har stött på en närmast solid vägg. Den enda vägen ut är att omvärdera grunderna.

Neil Turok dras med av sitt engagemang, och han har pratat mer än dubbelt så länge som den halvtimme han först avsatt för vårt möte. Men än har han några saker han vill tillägga.

Han talar om det som hände i början av 1900-talet. Då föddes Einsteins relativitetsteorier och kvantfysiken, grundpelarna som den moderna fysiken vilar på. Det intressanta, påpekar Neil Turok, är att vi i backspegeln kan se att det var ganska lite som behövdes. Det gällde att dra rätt slutsatser utifrån principer som redan var kända. Relativitetsteorierna bygger på att ljusets hastighet i vakuum är konstant. Kvantteorin tar avstamp i Plancks lag för strålningen från en svart kropp. Det Einstein och hans samtida gjorde var att ta en noggrann titt på vad de här sakerna faktiskt betydde, och sedan arbeta ut konsekvenserna av det.

– Jag tror att vi behöver göra samma sak. Vi måste granska vad som ligger bakom kvantfältteorins framgångar. Behålla de bra bitarna, kasta bort de dåliga bitarna. Och det kommer att leda till en revolution. Tiden är inne.

Symmetri och snurr förklarar universum

Klicka för att ladda ner grafiken som pdf.

Den kosmiska bakgrundsstrålningen

Den kosmiska bakgrundsstrålningen är det äldsta ljuset i världsalltet. Den kommer från det ögonblick då universum just hade svalnat tillräckligt mycket för att bli genomskinligt för ljus, och når oss från alla riktningar. Genom universums expansion har den kosmiska bakgrundsstrålningen svalnat och töjts ut till millimeterlånga mikrovågor i en process som kallas kosmisk rödförskjutning.

Bakgrundsstrålningen är mycket jämn, men har små avvikelser beroende på riktning. Extremt noggranna mätningar med satelliten Planck ligger till grund för kartan som visas här, där de ytterst små variationerna i bakgrundsstrålningen representeras med olika färger.

Genom att mäta styrkan av skillnaderna i små fläckar och stora fläckar av himlavalvet, kan forskare dra slutsatser om olika egenskaper hos vårt universum.

Plancks lag och kvantfysikens födelse

Varma föremål, som glödtråden i en gammaldags glödlampa, strålar ut ljus i både synliga och osynliga våglängder. Vilken färg som dominerar bestäms av temperaturen och inte av materialet som föremålet består av. Fenomenet kallas ”svartkroppsstrålning”. Vid slutet av 1800-talet hade fysiker mätt upp hur mycket energi som strålas ut i olika våglängder vid en given temperatur, men de kunde inte beskriva eller förklara kurvan. När Max Planck tog sig an detta problem lyckades han som en bieffekt lägga första grundstenen till det som sedan blev kvantfysiken. Den formel han lyckades ställa upp fungerade nämligen genom att han delade upp strålningens energi i små paket eller kvanta. Han införde också Plancks konstant h som relaterar energin hos ett ljuspaket – en foton – till dess energi.

Vad är en ”svartkropp”?

När fysikerna sökte efter en allmän lag för sambandet mellan temperatur och energi tänkte de sig ett idealiskt föremål som inte reflekterar något ljus, utan absorberar all inkommande strålning helt perfekt – därför fick det namnet ”svartkropp” (eller ibland: svart kropp). Namnet är lite missvisande, för en svartkropp som absorberar energi och värms upp kommer också att stråla ut ljus. När den har värmts upp tills den strålar ut lika mycket energi som den tar emot, kommer den att hålla en konstant temperatur, och det är vid det konstanta tillståndet som den utstrålade energin för varje våglängd följer Plancks lag.