Naturen er ikke kun mærkeligere end vi antager, den er mærkeligere end vi kan antage
Universets bølgefunktion
Hawking er en af grundlæggerne af en ny videnskabelig disciplin kaldet kvantekosmologi. I begyndelsen forekommer dette at være en modstridende betegnelse. Ordet kvante gælder for den uendelig lille verden af kvarker og neutrinoer, men kosmologi betegner det ydre rums næsten grænseløse vidder. Hawking og andre mener imidlertid nu, at kosmologiens endelige spørgsmål kun kan besvares af kvanteteorien. Hawking fører kvantekosmologien til dens endelige kvante konklusion, som tillader eksistensen af uendelige antal parallelle universer.
Kvanteteoriens udgangspunkt, husker vi, er en bølgefunktion, der beskriver alle en partikels mulige tilstande. Forestil dig f.eks. en stor, uregelmæssig tordensky, der dækker himlen. Jo mørkere tordenskyen er, jo større er koncentrationen af vanddamp og støv på det punkt. Ved således helt enkelt at se på tordenskyen kan vi hurtigt estimere sandsynligheden for at finde store koncentrationer af vand og støv i visse dele af skyen.
Figur 1. I Hawkings bølgefunktion for universet er bølgefunktionen mest sandsynligt koncentreret omkring vort eget univers. Vi lever i vort univers, fordi det er det mest rimelige med den største sandsynlighed. Imidlertid er der en lille, men ikke forsvindende, sandsynlighed for, at bølgefunktionen foretrækker parallelle nabouniverser. Således kan overgange mellem universer måske være mulige (skønt med meget lav sandsynlighed).
Tordenskyen kan sammenlignes med en enkelt elektrons bølgefunktion. Som en tordensky fylder den hele rummet. På samme måde, jo større dens værdi er i et punkt, jo større er sandsynligheden for at finde elektronen der. På samme måde kan bølgefunktioner associeres med store genstande som folk. Når jeg sidder i min stol i Princeton, ved jeg, at jeg har en Schrödinger sandsynlighedsbølgefunktion. Hvis jeg kunne se min egen bølgefunktion, ville den ligne en sky, som meget havde samme form som min krop. Imidlertid ville noget af skyen sprede sig ud over hele rummet, ud til Mars og endda hinsides solsystemet, skønt den ville være forsvindende lille der. Dette betyder, at der er en meget stor sandsynlighed for, at jeg faktisk sidder i min stol og ikke på planeten Mars. Skønt en del af min bølgefunktion har bredt sig hinsides Mælkevejsgalaksen, er der kun en uendeligt lille chance for at jeg sidder i en anden galakse.
Hawkings nye ide var, at behandle hele universet som om det var en kvantepartikel. Ved at gentage nogle simple trin føres vi til nogle øje-åbnende konklusioner.
Vi begynder med en bølgefunktion, der beskriver sættet af alle mulige universer. Dette betyder at udgangspunktet for Hawkings teori må være et uendeligt sæt af parallelle universer, universets bølgefunktion. Hawkings temmelig enkle analyse, som erstatter ordet partikel med universet, har ført til en begrebsmæssig revolution i vor tænkning om kosmologi.
Ifølge dette billede spreder universets bølgefunktion sig ud over alle mulige universer. Bølgefunktionen antages at være temmelig stor nær vort eget univers, så der er en god chance for, at vort univers er det korrekte, som vi forventer. Imidlertid spreder bølgefunktionen sig ud over alle andre universer, selv dem der er livløse og ikke er kompatible med de velkendte fysiklove. Da bølgefunktionen antages at være uendeligt lille for disse andre universer forventer vi ikke at vort univers vil gøre et kvantespring til dem i den nærmeste fremtid.
Målet, som kvantekosmologerne står overfor, er at verificere denne gisning matematisk for at vise, at universets bølgefunktion er stor for vort nuværende univers og uendeligt lille for andre universer. Dette ville så bevise at vort velkendte univers i en vis fortand er unikt og også stabilt. (I øjeblikket er kvantekosmologerne ude af stand til at løse denne vigtige opgave.)
Figur 2. Vort univers kan være ét af et uendeligt antal parallelle universer, som hver er forbundet til de andre af en uendelig serie ormehuller. Rejse mellem disse ormehuller er mulig men yderst usandsynlig.
Hvis vi tager Hawking alvorligt betyder det, at vi må begynde vor analyse med et uendeligt antal af alle mulige universer, som sameksisterer med hinanden. For at sige det ligefremt er definitionen af ordet univers ikke længere "alt der eksisterer." Det betyder nu "alt der kan eksistere." F.eks. ser vi i Figur 1, hvordan universets bølgefunktion kan spredes ud over adskillige mulige universer, med vort univers som det mest sandsynlige, men bestemt ikke det eneste. Hawkings kvantekosmologi antager også at universets bølgefunktion tillader disse universer at kollidere. Ormehuller kan udvikle sig og forbinde disse universer. Imidlertid er disse ormehuller ikke som dem vi mødte i de tidligere kapitler, der forbinder forskellige dele af det tredimensionale rum med sig selv - disse ormehuller forbinder forskellige universer med hinanden.
Tænk, f.eks., på en stor samling sæbebobler svævende i luften. Normalt er hver sæbeboble som et univers i sig selv, undtaget at det en gang imellem støder ind i en anden boble og danner en større eller deler sig til to mindre bobler. Forskellen er, at hver sæbeboble nu er et helt tidimensionalt univers. Da rum og tid kun kan eksistere på hver boble er der ikke noget som rum og tid mellem boblerne. Hvert univers har sin egen selvstændige "tid". Det er meningsløst at sige, at tiden går med samme hastighed i alle disse universer. (Vi bør, imidlertid, understrege at rejse mellem disse universer ikke er mulig for os på grund af vort primitive teknologiske stade. Endvidere bør vi understrege, at store kvanteovergange på denne skala er yderst sjælden, sandsynligvis meget større end vort univers' levetid). De fleste af disse universer er døde universer, tomme for noget liv. I disse universer var fysikkens love anderledes og derfor blev de fysiske betingelser, der er nødvendige for liv, ikke opfyldt. Blandt alle de milliarder af parallelle universer havde måske kun et (vores) det rette sæt fysiske love til at tillade liv.
Hawkings "baby univers" teori rejser, selv om den ikke muliggør praktisk transport, bestemt filosofiske og måske endda religiøse spørgsmål. Den har allerede stimuleret to langvarige debatter blandt kosmologer.
At anbringe Gud tilbage i universet
Den første debat drejer sig om det antropiske princip. I løbet af århundrederne har forskerne lært stort set at betragte universet uafhængigt af menneskelig forudindtagethed. Vi projicerer ikke længere vor menneskelige fordomme og griller på enhver videnskabelig opdagelse. Historisk begik tidlige forskere imidlertid ofte fejlen at være antropomorfe og antog at genstande og dyr havde menneskelignende træk. Denne fejl begås af enhver, der ser menneskelige følelser og humør udvist af deres kæledyr. (Den begås også af Hollywood scriptforfattere, som regelmæssigt antager at væsener som os må befolke planeter, der kredser om stjernerne i himlen.)
Antropomorfisme er et gammelt problem. Den Ioniske filosof Xenophanes klagede engang "Mennesker forestiller sig at guder fødes og at de har klæder og stemmer og skikkelser som deres ... Ja Etiopernes er sorte og fladnæsede og Traciernes er rødhårede og blå-øjede." Inden for de sidste par årtier er nogle kosmologer blevet skrækslagne ved at finde, at antropomorfisme kryber tilbage i videnskaben forklædt som det antropiske princip; nogle af dets fortalere erklærer åbent, at de gerne vil anbringe Gud i videnskaben igen.
Der er faktisk nogen videnskabelig fortjeneste ved denne mærkelige debat om det antropiske princip, som drejer sig om den indiskutable kendsgerning, at hvis universets fysiske konstanter blev ændret den mindste smule, ville liv i universet være umuligt. Er denne bemærkelsesværdige kendsgerning et heldigt sammentræf eller viser det det Højestes arbejde?
Der er to versioner af det antropiske princip. Den "svage" version erklærer, at den kendsgerning at intelligent liv (os) findes i universet bør tages som en eksperimentel kendsgerning, der hjælper os med at forstå universets konstanter. Som Nobelpristageren Steven Weinberg forklarer det, "verden er på den måde den er, i det mindste delvist, fordi der ellers ikke ville være nogen til at spørge, hvorfor den er som den er." Udtrykt på denne måde er den svage version af det antropiske princip vanskelig at diskutere.
For at få liv i universet behøver man et sjældent sammenfald af mange tilfældigheder. Livet, som afhænger af en variation af komplekse biokemiske reaktioner, kan let blive umuliggjort, hvis vi ændrer nogen af kemiens og fysikkens konstanter en lille smule. Hvis, f.eks., de konstanter, der styrer kernefysikken, blev ændret blot lidt, så ville kernesyntesen og skabelsen af de tunge grundstoffer i stjerner og supernovaer blive umulig. Så kunne atomer blive ustabile eller umulige at skabe i supernovaerr. Livet afhænger af de tunge grundstoffer (grundstoffer hinsides jern) til skabelsen af DNA og proteinmolekyler. Således ville den mindste ændring i kernefysikken gøre det umuligt at frembringe universets tungeste grundstoffer i stjernerne. Vi er stjernernes børn; hvis kernefysikkens love imidlertid ændrer sig det mindste, så vil vore "forældre" være ude af stand til at få "børn" (os). Som et andet eksempel er det sikkert at sige, at skabelsen af livet i de tidlige oceaner sandsynligvis tog 1 til 2 milliarder år. Hvis vi imidlertid kunne krympe protonens levetid til adskillige millioner år, så ville livet være umuligt. Der ville ikke være nok tid til at skabe livet ud af tilfældige kollisioner af molekyler.
Med andre ord betyder selve den kendsgerning, at vi eksisterer i universet til at stille disse spørgsmål om det, at en kompleks rækkefølge af begivenheder nødvendigvis må være hændt. Det betyder, at naturens konstanter må have et vist område af værdier, så stjernerne levede længe nok til at skabe de tunge grundstoffer i vore legemer, så protoner ikke henfalder for hurtigt før livet har haft en chance for at spire og så videre. Med andre ord anbringer eksistensen af mennesker, der kan stille spørgsmål om universet, et enormt antal stramme begrænsninger på universets fysik - f.eks. dets alder, dets kemiske sammensætning, dets temperatur, dets størrelse og dets fysiske processer.
Da han kom med bemærkninger om disse kosmiske sammenfald, skrev fysikeren Freeman Dyson engang, "Når vi ser ud i universet og identificerer de mange tilfældigheder i fysik og astronomi, der har arbejdet sammen til fordel for os, forekommer det næsten som om, Universet i en vis forstand må have vidst, at vi kom." Dette tager os til den "stærke" version af det antropiske princip, som erklærer at alle universets fysiske konstanter er blevet præcist valgt (af Gud eller et Højeste Væsen), så livet er muligt i vort univers. Fordi den stærke version rejser spørgsmål om et højeste væsen, er det meget mere kontroversielt blandt forskere.
Det er tænkeligt, at det kunne have været blindt held, hvis kun nogle få naturkonstanter var krævet at indtage visse værdier for at gøre liv muligt. Det ser imidlertid ud til, at et stort sæt fysiske konstanter skal indtage et smalt bånd af værdier, for at livet kan dannes i vort univers. Da tilfælde af denne type er yderst usandsynlige valgte en højeste intelligens (Gud) måske disse værdier præcist for at skabe liv.
Når forskere første gang hører om en version af det antropiske princip bliver de øjeblikkeligt overraskede. Fysikeren Heinz Pagels huskede, "Her var en form for fornuftsslutning, som var fuldstændig fremmed fra den sædvanlige form, som teoretiske fysikere udførte deres arbejde på."
Det antropiske princip er en mere sofistikeret version af det gamle argument, at Gud anbragte jorden i lige den rette afstand fra solen. Hvis Gud havde placeret jorden for tæt på ville den være for varm til at understøtte liv. Hvis Gud havde placeret jorden for langt væk ville den være for kold. Fejlen ved dette argument er, at millioner af planeter i galaksen sandsynligvis er i den ukorrekte afstand fra deres sol og derved er liv på dem umuligt. Imidlertid vil nogle planeter ved et rent tilfælde være i den rette afstand fra solen. Vor planet er en af dem og derfor er vi her for at diskutere problemet.
Med tiden bliver de fleste forskere desillusionerede over det antropiske princip, fordi det ikke har nogen forudsigende kraft eller kan afprøves. Pagels konkluderede tøvende at "ulig fysikkens principper giver det ingen måde, hvorpå man kan bestemme om det er rigtigt eller forkert; der er ingen måde at afprøve det på. Ulig konventionelle fysiske principper er det antropiske princip ikke egnet til eksperimentel afprøvning - det sikre tegn på, at det ikke er et videnskabeligt princip." Fysikeren Alan Guth siger ligefremt, "Følelsesmæssigt berører det antropiske princip mig på den forkerte måde ... Det antropiske princip er noget folk gør, hvis de ikke kan finde på andet at lave."
For Richard Feynman er den teoretiske fysikers mål at "bevise at man tager fejl så hurtigt som muligt." Imidlertid er det antropiske princip sterilt og kan ikke modbevises. Eller, som Weinberg sagde, "skønt videnskab er umulig uden videnskabsfolk, er det ikke klart at universet er umuligt uden videnskab."
Debatten om det antropiske princip (og derfor om Gud) hvilede i mange år, indtil den fornylig blev genoplivet af Hawkings bølgefunktion for universet. Hvis Hawking har ret, så er der virkelig et uendeligt antal parallelle universer, mange med anderledes fysiske konstanter. I nogle af dem henfalder protoner måske for hurtigt, eller stjerner kan ikke fremstille de tunge grundstoffer hinsides jern, eller det Store Knas finder sted for hurtigt, før livet kan begynde og så videre. Faktisk er et uendeligt antal af disse parallelle universer døde, uden de fysiske love der gør liv, som vi kender det, muligt.
På et sådant parallelt univers (vores) var fysikkens love forenelige med liv, som vi kender det. Beviset er, at vi er her i dag til at diskutere spørgsmålet. Hvis dette er sandt, behøver Gud måske ikke at blive påkaldt for at forklare, hvorfor livet, kostbart som det er, er muligt i vort univers. Dette åbner imidlertid igen muligheden for det svage antropiske princip - dvs., at vi sameksisterer med mange døde universer og at vores er det eneste, der er foreneligt med liv.
Den anden kontrovers, som blev stimuleret af Hawkings bølgefunktion for universet, er meget dybere og faktisk stadig uløst. Den kaldes Schrödingers kat problemet.
På genvisit hos Schrödingers kat
Fordi Hawkings teori om babyuniverser og ormehuller bruger kvanteteoriens kraft, genåbner den uundgåeligt de stadig uløste debatter om dens grundlag. Hawkings bølgefunktion for universet løser ikke disse paradokser ved kvanteteorien fuldstændigt; den udtrykker dem kun i et forbavsende nyt lys.
Kvanteteorien erklærer, husker vi, at for enhver genstand findes der en bølgefunktion, der måler sandsynligheden for at finde den genstand på et bestemt punkt i rum og tid. Kvanteteorien erklærer også, at man aldrig virkelig kender en partikels tilstand før man har lavet en observation. Før en måling udføres kan partiklen være i en af en variation af tilstande, beskrevet af Schrödingers bølgefunktion. Før en måling kan udføres kan man således ikke kende partiklens tilstand. Faktisk eksisterer partiklen i en nedre tilstand, en sum af alle mulige tilstande, indtil en måling udføres.
Da denne ide først blev foreslået af Niels Bohr og Werner Heisenberg, gjorde Einstein oprør mod dette begreb. "Eksisterer månen kun, fordi en mus ser på den?" holdt han af at spørge. Ifølge kvanteteoriens strenge tolkning eksisterer månen ikke virkeligt, som vi kender det, før den observeres. Månen kan faktisk være i en af et uendeligt antal tilstande, inkluderende tilstanden af at være på himlen, være eksploderet eller slet ikke være der. Det er måleprocessen, at se på den, der bestemmer, at månen i virkeligheden cirkler om jorden.
Einstein havde mange ophedede diskussioner med Niels Bohr, som udfordrede dette uortodokse verdenssyn. (I en meningsudveksling sagde Bohr til Einstein i ophidselse, "Du tænker ikke. Du er bare logisk!") Selv Erwin Schrödinger (som startede hele diskussionen med sin fejrede bølgeligning) protesterede mod denne genfortolkning af sin ligning. Han klagede engang, "Jeg kan ikke lide det og jeg er ked af, at jeg nogensinde havde noget med det at gøre."
For at udfordre denne tolkning spurgte kritikerne, "Er en kat død eller levende, før man kigger på den?"
For at vise hvor absurd dette spørgsmål er, anbragte Schrödinger en imaginær kat i en forseglet kasse. Katten står overfor et gevær, som er forbundet til en geigertæller, som igen er forbundet med et stykke uran. Uranatomet er ustabilt og vil gennemgå radioaktivt henfald. Hvis en urankerne går i stykker vil den blive opsamlet af geigertælleren, som så vil udløse geværet, hvis kugle vil dræbe katten.
For at bestemme om katten er død eller levende må vi åbne kassen og observere katten. Hvad er imidlertid kattens tilstand før vi åbner kassen? Ifølge kvanteteorien kan vi kun erklære, at katten beskrives af en bølgefunktion, der beskriver summen af en død kat og en levende kat.
For Schrödinger var ideen om at tænke på katte, som hverken er døde eller levende toppen af absurditet, dog tvinger den eksperimentelle bekræftelse af kvantemekanikken os ikke desto mindre til denne konklusion. I øjeblikket har ethvert eksperiment verificeret kvanteteorien.
Paradokset med Schrödingers kat er så bizart, at man ofte mindes om hvordan Alice reagerede på Chesirekattens forsvinden i en Lewis Carrol fabel: " 'Du vil se mig der,' sagde katten og forsvandt. Alice blev ikke særlig forbavset over dette, hun var ved at blive så vant til at der skete mærkelige ting." I årenes løb er fysikerne også blevet vant til at der sker "mærkelige" ting i kvantemekanikken.
Der er mindst tre vigtige måder, hvorpå fysikere behandler denne kompleksitet. For det første kan vi antage, at Gud findes. Fordi alle "observationer" medfører en observatør, må der være en slags "bevidsthed" i universet. Nogle fysikere, som Nobelpristageren Eugene Wigner, har insisteret på, at kvanteteorien beviser eksistensen af en slags universel kosmisk bevidsthed i universet.
Den anden måde at behandle paradokset på foretrækkes af størstedelen af arbejdende fysikere - at ignorere problemet. De fleste fysikere peger på, at et kamera uden nogen bevidsthed også kan udføre målinger og ønsker helt enkelt at dette klæbrige, men uundgåelige, problem ville forsvinde.
Fysikeren Richard Feynman sagde engang "Jeg tror det er sikkert at sige, at ingen forstår kvantemekanik. Hvis man kan undgå det, skal man lade være med hele tiden at sige, 'Men hvordan kan det være sådan?' fordi man vil gå 'nedenom og hjem', ind i en blindgade, fra hvilken ingen nogensinde er undsluppet. Ingen ved hvordan det kan være sådan." Faktisk erklæres det ofte, at den dummeste teori, der er blevet foreslået i dette århundrede, er kvanteteorien. Nogen siger, at det eneste gode man kan sige om kvanteteorien er, at den uden tvivl er korrekt.
Der er imidlertid en tredje måde at behandle dette paradoks på, som kaldes mange-verdener teorien. Denne teori faldt (ligesom det antropiske princip) i unåde i de foregående årtier, men genoplives af Hawkings bølgefunktion for universet.
Mange verdener
I 1957 rejste fysikeren Hugh Everett den mulighed, at universet i løbet af sin udvikling fortsat 'deles' som en vejgaffel. I et univers gik uranatomet ikke i stykker og katten blev ikke skudt. I det andet gik uranatomet i stykker og katten blev skudt. Hvis Everett har ret er der et uendeligt antal universer. Hvert univers er forbundet til de andre gennem netværket af vejgafler. Eller, som den argentinske forfatter Jorge Louis Borges skrev i The Garden of Forking Paths, "tiden deler sig evigt mod utallige fremtider".
Fysikeren Bryce DeWitt, en af fortalerne for mange-verdener teorien, beskriver det varige indtryk den gjorde på ham, "Enhver kvanteovergang der finder sted på enhver stjerne, i enhver galakse, i ethvert fjernt hjørne af universet deler vor lokale verden på jorden til myriader af kopier af sig selv. Jeg husker stadig levende det chok jeg oplevede, da jeg første gang mødte dette mangeverdensbegreb." Mange-verdener teorien postulerer, at alle mulige kvanteverdener findes. I nogle verdener findes mennesker som den dominerende livsform på jorden. I andre verdener fandt der subatomare begivenheder sted, som forhindrede mennesker i nogensinde at udvikle sig på denne planet.
Som fysikeren Frank Wilczek noterede.
Det siges at verdenshistorien ville være helt anderledes, hvis Helen fra Troja havde haft en vorte på spidsen af sin næse. Godt, vorter kan opstå fra mutationer i enkelte celler, ofte udløst af udsættelse for solens ultraviolette stråler. Konklusion: der er mange, mange verdener, i hvilke Helen fra Troja havde en vorte på spidsen af sin næse.
Faktisk er ideen, at der er mangfoldige universer, gammel. Filosoffen St. Albertus Magnus skrev engang, "Eksisterer der mange verdener eller er der kun en enkelt verden? Dette er et af de mest ædle og ophøjede spørgsmål i studiet af naturen." Imidlertid er den nye bøjning af den gamle ide, at disse mange verdener løser Schrödingers kat paradokset. I et univers kan katten være død; i et andet er katten levende.
Så mærkelig Everetts mange-verdener teori forekommer, kan man vise, at den er matematisk ækvivalent til de sædvanlige tolkninger af kvanteteorien. Men traditionelt har Everetts mange-verdener teori ikke været populær blandt fysikere. Skønt den ikke kan afvises, er ideen om et uendeligt antal lige virkelige universer, som hvert deler sig halvt i hvert øjeblik af tiden, et filosofisk mareridt for fysikere, som elsker enkelhed. Der er et fysikprincip kaldet Occams ragekniv, som siger, at vi altid skal tage den enklest mulige sti og ignorere mere klodsede alternativer, især hvis alternativerne aldrig kan måles. (Således forkaster Occams ragekniv den gamle "æter" teori, som erklærede at en mystisk gas engang gennemtrængte hele universet. Æterteorien gav et tilpas svar på et pinligt spørgsmål. Hvis lys er en bølge og lys kan bevæge sig i et vakuum, hvad er det så der bølger? Svaret var, at æter, som en væske, vibrerede selv i et vakuum. Einstein viste, at æteren var unødvendig. Imidlertid sagde han aldrig, at æteren ikke fandtes. Han sagde bare at den var irrelevant. Således refererer fysikere, ved Occams ragekniv, ikke til æteren mere.)
Man kan vise, at kommunikation mellem Everetts mange verdener ikke er mulig. Derfor er hvert univers ikke vidende om eksistensen af de andre. Hvis eksperimenter ikke kan teste for eksistensen af disse verdener, burde vi, ved Occams ragekniv, eliminere dem.
Noget i samme retning siger fysikere ikke kategorisk, at engle og mirakler ikke kan findes. Måske gør de. Men mirakler er, næsten pr. definition, ikke til at gentage og derfor ikke målelige ved eksperimenter. Derfor må vi, ved Occams ragekniv, afvise dem (medmindre, selvfølgelig, vi kan finde et gentageligt, måleligt mirakel eller engel). En af udviklerne af mange-verdener teorien, Everetts mentor John Wheeler forkastede den fordi "den krævede for megen metafysisk bagage at bære rundt."
Mange-verdener teoriens upopularitet kan imidlertid aftage, når Hawkings bølgefunktion for universet vinder popularitet. Everetts teori var baseret på enkelte partikler uden mulighed for kommunikation mellem de forskellige universer, når de delte sig. Skønt Hawkings teori er relateret går den meget videre: Den er baseret på et uendeligt antal selvstændige universer (og ikke blot partikler) og postulerer muligheden for tunnelering (via ormehuller) mellem dem.
Han har endda gennemført den skræmmende opgave at beregne løsningen til universets bølgefunktion. Han har tillid til, at hans indgangsvinkel er korrekt, delvist fordi teorien er veldefineret (hvis, som vi nævnte, teorien defineres i ti dimensioner). Hans mål er nu at vise, at universets bølgefunktion antager en stor værdi nær et univers, der ligner vores. Således er vort univers det mest sandsynlige, men bestemt ikke det eneste.
Indtil nu har der været et antal internationale konferencer om universets bølgefunktion. Som før er matematikken involveret i universets bølgefunktion imidlertid hinsides de beregningsmæssige evner hos noget menneske på denne planet og det kan være vi skal vente år før et foretagsomt individ kan finde en streng løsning på Hawkings ligninger.
Parallelle verdener
En vigtig forskel mellem Everetts mange-verdener teori og Hawkings bølgefunktion for universet er, at Hawkings teori placerer ormehuller, der forbinder disse parallelle universer, i centrum af hans teori. Der er imidlertid intet behov for at spekulere over om man en dag vil gå hjem fra arbejde, åbne døren, gå ind i et parallelt univers og opdage, at ens familie aldrig har hørt om en. I stedet for at fare frem for at møde en efter en hård dags arbejde, gribes din familie af panik, skriger om en indtrængende og får en sendt i fængslet for ulovlig indtrængen. Denne slags scenarium sker kun på fjernsynet eller i biografen. I Hawkings indfaldsvinkel forbinder ormehuller faktisk konstant vort univers med milliarder og atter milliarder parallelle universer, men størrelsen af disse ormehuller er i middel yderst lille, omkring størrelsen af Planck længden (omkring 100 milliarder milliarder gange mindre end en proton, for lille til menneskelig rejse). Da store kvanteovergange mellem disse universer endvidere er sjældne, skal vi vente længe, længere end universets levetid, før en sådan begivenhed finder sted.
Således er det fuldstændig konsistent med fysikkens love (men yderst usandsynligt) at nogen kan gå ind i et tvillingeunivers, der er præcist ligesom vort univers bortset fra en lille afgørende forskel, skabt på et tidspunkt, hvor de to universer delte sig fra hinanden.
Denne type parallel verden blev udforsket af John Wyndham i fortællingen "Random Quest". Colin Trafford, en britisk atomfysiker, bliver næsten dræbt i 1954, da et atomeksperiment eksploderer. I stedet for at ende på hospitalet, vågner han, alene og uskadt, i en fjern del af London. Han er lettet over, at alt forekommer normalt, men opdager snart, at noget er meget forkert. Avisoverskrifterne er helt umulige. Anden verdenskrig fandt aldrig sted. Atombomben blev aldrig opdaget.
Verdenshistorien er blevet vredet. Endvidere kaster han et blik på en hylde i en forretning og bemærker sit eget navn, med et billede, som forfatter af en bestseller. Han er chokeret. Der findes en eksakt kopi af ham selv i denne parallelle verden som forfatter i stedet for atomfysiker.
Drømmer han alt dette? For år siden tænkte han på at blive skribent, men i stedet valgte han at blive atomfysiker. Tilsyneladende blev anderledes valg truffet i fortiden i dette parallelle univers.
Trafford gennemser Londons telefonbog og finder sit navn opført, men adressen er forkert. Rystende beslutter han at besøge "sit" hjem.
Da han træder ind i sin lejlighed er han chokeret over at møde "sin" hustru - en han aldrig har set før - en smuk kvinde, som er bitter og vred over "hans" talrige affærer med andre kvinder. Hun laster ham for "hans" udenægteskabelige indiskretioner, men hun bemærker at hendes ægtemand forekommer forvirret. Trafford finder ud af, at hans modpart er en tarvelig fyr og en kvindebedårer. Han finder det imidlertid vanskeligt at diskutere med en smuk fremmed, han aldrig har set før, selv om hun tilfældigvis er "hans" hustru. Tilsyneladende har han og hans modpart byttet universer.
Han oplever gradvist, at han bliver forelsket i "sin" egen hustru. Han kan ikke forstå, hvordan hans modpart nogensinde kunne have behandlet sin smukke hustru på så forkastelig en måde. De næste få uger er de bedste de har tilbragt sammen i deres liv. Han beslutter sig for at omgøre al den skade hans modpart nedkaldte over sin hustru i årenes løb. Så, ligesom de to opdager hinanden, rykkes han pludselig tilbage i sit eget univers og efterlader "sin" kærlighed tilbage. Kastet tilbage i sit univers mod sin vilje påbegynder han en afsindig undersøgelse for at finde "sin" hustru. Han har opdaget at de fleste, men ikke alle, folk i hans univers har en modpart i det andet. Det er sikkert, ræsonnerer han, at "hans" hustru må have en modpart i hans egen verden.
Han bliver besat og eftersporer alle de spor, som han husker fra tvillingeuniverset. Ved at bruge al sin viden om historie og fysik konkluderer han at de to verdener skilte sig fra hinanden på grund af en fysisk begivenhed i 1926 eller 1927. En enkelt begivenhed, slutter han, må have spaltet de to universer fra hinanden.
Så sporer han omhyggeligt fødsels- og dødsoptegnelserne for adskillige familier. Han bruger sin resterende opsparing på at interviewe snesevis af folk indtil han placerer "sin" hustrus familietræ. Med tiden lykkes det ham at spore "sin" hustru i sit eget univers. I slutningen gifter han sig med hende.
De gigantiske ormehullers angreb
En Harvard fysiker, som er sprunget ind i slagsmålet vedrørende ormehuller er Sidney Coleman. Han, der minder om en krydsning af Woody Allen og Albert Einstein, sjokker gennem Jefferson Halls korridorer og prøver at overbevise skeptikere om sin seneste teori om ormehuller. Med sin chaplinagtige moustache, håret strøget tilbage som Einsteins og hans for store sweatshirt, gør Coleman sig bemærket i enhver folkemængde. Nu hævder han at have løst det fejrede problem med den kosmologiske konstant, som har forvirret fysikere de sidste 80 år.
Hans arbejde kom endda på forsiden af Discover Magazine med en artikel benævnt "Parallelle universer: Den ny virkelighed - Fra Harvards vildeste fysiker." Han er også vild med science fiction; som alvorlig science fiction fan medgrundlagde han Advent Publishers, som udgav bøger om science fiction anmeldelser.
For tiden engagerer Coleman sig kraftigt med kritikerne som siger, at forskerne ikke vil være i stand til at verificere ormehulteorierne i vores livstid. Hvis vi tror på Thornes ormehuller, så må vi vente indtil nogen opdager eksotisk stof eller behersker Casimir virkningen. Indtil da har vore tidsmaskiner ingen "motor", som er i stand til at skyde os ind i fortiden. På samme måde hvis vi tror på Hawkings ormehuller, så må vi rejse i "imaginær tid" for at rejse mellem ormehuller. På begge måder er det en sørgelig tingenes tilstand for den teoretiske fysiker, der føler sig frustreret af det tyvende århundredes mangelfulde, svage teknologi og som kun kan drømme om at beherske Planck energien.
Det er her Colemans arbejde kommer ind. Han hævdede fornylig, at ormehullerne kunne give et meget håndgribeligt, meget måleligt resultat i nutiden og ikke i en fjern, uforudsigelig fremtid. Som vi tidligere pegede på, erklærer Einsteins ligninger at stof-energi indholdet i en genstand bestemmer krumningen af rumtiden, der omgiver den. Einstein spekulerede på om den rene vakuum energi i det tomme rum kunne indeholde energi. Er ren tomhed tom for energi? Denne vakuumenergi måles ved noget, der kaldes den kosmologiske konstant; i princippet er der intet der hindrer at en kosmologisk konstant dukker op i ligningerne. Einstein troede hans term var æstetisk grim, men han kunne ikke afvise den af fysiske eller matematiske grunde.
I 1920'erne, da Einstein prøvede at løse sine ligninger for universet, fandt han til sin ærgrelse, at universet udvidede sig. Tilbage dengang var den fremherskende visdom, at universet var statisk og uforanderligt. For at få sine ligninger til at forhindre universets udvidelse indsatte Einstein en lille kosmologisk konstant i sin løsning, valgt så den lige ville udbalancere udvidelsen og give et statisk univers efter ordre. I 1929, da Hubble endeligt beviste at universet virkelig udvider sig, forviste Einstein den kosmologiske konstant og sagde den var den "største fejltagelse i mit liv."
I dag ved vi, at den kosmologiske konstant er meget tæt på nul. Hvis der var en lille negativ kosmologisk konstant, så ville gravitationen være kraftigt tiltrækkende og hele universet kunne være nogle få meter i tværsnit. (Ved at række ud med hånden skulle man kunne gribe personen foran, som ville være en selv.) Hvis der var en lille positiv kosmologisk konstant, så ville gravitationen være frastødende og alt ville flyve væk fra en så hurtigt, at deres lys aldrig ville nå dig. Da ingen af disse mareridt scenarier forekommer, er vi sikre på at den kosmologiske konstant er yderst lille eller endda nul.
Men dette problem dukkede op igen i 1970'erne, da symmetribrud blev intensivt studeret i Standard Modellen og GUT teori. Når en symmetri brydes afsættes en stor mængde energi i vakuumet. Faktisk er mængden af energi, der flyder ind i vakuumet 10100 gange større end den eksperimentelt observerede mængde. I hele fysikken er denne uoverensstemmelse på 10100 uden tvivl den største. Ingen steder i fysikken ser vi en sådan forskel mellem teorien (som forudsiger en stor vakuumenergi, når en symmetri brydes) og eksperimenter (som måler nul kosmologisk konstant i universet). Det er her Colemans ormehuller kommer ind; de behøves for at udligne de uønskede bidrag til den kosmologiske konstant.
Ifølge Hawking kan der være et uendeligt antal alternative universer, der sameksisterer med vores, som alle er forbundet af et uendeligt net af forbundne ormehuller. Coleman prøvede at addere hele bidraget fra denne uendelige serie. Efter summen var udført fandt han et forbavsende resultat: Universets bølgefunktion foretrækker at have nul kosmologisk konstant, som ønsket. Hvis den kosmologiske konstant var nul, blev bølgefunktionen yderst stor, hvilket betyder at der var en høj sandsynlighed for at finde et univers med nul kosmologisk konstant. Desuden forsvandt universets bølgefunktion hurtigt, hvis den kosmologiske konstant ikke var nul, hvilket betyder at der var nul sandsynlighed for det uønskede univers. Dette var nøjagtigt, hvad der behøvedes for at udligne den kosmologiske konstant. Med andre ord var den kosmologiske konstant nul, fordi det var det mest sandsynlige resultat. Den eneste virkning af at have milliarder og milliarder af parallelle universer var at holde den kosmologiske konstant på nul i vort univers.
Fordi dette var så vigtigt et resultat, begyndte fysikere omgående at springe ind i feltet. "Da Sidney kom frem med dette arbejde, hoppede alle." husker Stanford fysikeren Leonard Susskind. På sin typiske facon offentliggjorde Coleman dette potentielt vigtige resultat med en smule humor. "Det er altid muligt, at jeg uvidende står op til halsen i kviksand og synker hurtigt," skrev han.
Coleman kan lide at gøre levende indtryk på sit publikum med betydningen af dette problem, at chancerne for at udligne en kosmologisk konstant til en del ud af 10100 er fantastisk lille. "Forestil jer, at man over en ti års periode bruger millioner af dollars uden at se på ens løn og når man endelig sammenligner det man tjener med hvad man brugte, udbalancerer de hinanden ned til sidste øre," bemærker han. Således er hans beregning, der viser at man kan udligne den kosmologiske konstant til en del ud af 10100, et yderst spektakulært resultat. For at lægge glasur på kagen understreger Coleman, at disse ormehuller også løser et andet problem: De hjælper med at bestemme værdierne af de universets fundamentale konstanter. Coleman tilføjer, "Det var en fuldstændig anderledes mekanisme end nogen havde overvejet. Det var Batman, der svingede i rebet."
Men der begyndte også at dukke kritik op; den mest vedholdende kritik var, at han antog at ormehullerne var små, i størrelse med Planck længden, og at han glemte at summere over store ormehuller. Ifølge kritikerne burde store ormehuller også inkluderes i hans sum. Men da vi ikke ser store, synlige ormehuller nogen steder, forekommer det, at hans beregninger har en fatal fejl.
Uantastet af denne kritik skød Coleman tilbage på sin sædvanlige måde: han valgte oprørende titler til sine papirer. For at bevise at store ormehuller kan ignoreres i hans beregning, skrev han et svar til sine kritikere med titlen "Flugten fra de gigantiske ormehullers trussel." Da han blev spurgt om sine titler, svarede han, "Hvis Nobelpriser blev givet for titler, ville jeg allerede have modtaget min."
Hvis Colemans rent matematiske argumenter er korrekte, vil de give hårde eksperimentelle vidnesbyrd om at ormehuller er en essentiel egenskab ved alle fysiske processer og ikke bare en drøm. Det ville betyde, at ormehuller, der forbinder vort univers med et uendeligt antal døde universer, er essentielle i at forhindre vort univers i at folde sig selv op i en lille tæt bold eller fra at eksplodere udaf med fantastisk hastighed. Det ville betyde, at ormehuller er den essentielle egenskab, der gør vort univers relativt stabilt.
Men som med de fleste udviklinger, der sker på Planck længden, vil den endelige løsning på disse ormehulligninger skulle vente, indtil vi har en bedre forståelse af kvantegravitation. Mange af Colemans ligninger kræver en måde at eliminere uendelighederne som er fælles for alle teorier om kvantegravitation og det betyder anvendelse af superstreng teori. Især kan vi blive nødt til at vente indtil vi med sikkerhed kan beregne endelige kvantekorrektioner til hans teori. Mange af disse mærkelige forudsigelse må vente indtil vi kan skærpe vore beregningsmæssige redskaber.
Som vi har understreget er problemet hovedsageligt teoretisk. Vi har simpelthen ikke den matematisk hjernekraft til at bryde disse veldefinerede opgaver. Ligningerne stirrer på os fra tavlen men vi er hjælpeløse i at finde stramme, endelige løsninger på dem i øjeblikket. Når fysikerne engang får en bedre forståelse af fysikken ved Planck energien, så vil et helt nyt univers af muligheder åbne sig. Enhver, eller enhver civilisation, der virkelig behersker energien fundet ved Planck længden, vil blive herre over alle fundamentale kræfter.