Stephen Hawking - Et sinn uten grenser
Singulariteter
En singularitet er noe uhyrlig. Hvis en slik dukker opp i en matematisk ligning, vil størrelsen den representerer, gå rett mot uendelig, og da blir ligningen meningsløs. Problemet er at det dukker opp en singularitet i ligningene som beskriver universets fødsel, nemlig Einsteins teori om tyngdekraften.
Tidlig på 1960-tallet tenkte en ung Cambridgedoktor ved navn Stephen Hawking på dette, og det uroet ham dypt. Hawking var blitt fascinert av kosmologi, læren om universets opprinnelse, utvikling og skjebne. Albert Einstein var aldri den som tenkte smått, og i 1917 anvendte han den nye tyngekraftteorien sin – den generelle relativitetsteorien – på det største tyngdekraftsystemet han kunne tenke seg, nemlig universet i sin helhet. I likhet med forgjengeren Isaac Newton var han uløselig knyttet til tanken om et statisk univers hvor stjernene og galaksene hang i rommet til evig tid uten å endre seg. Derfor overså Einstein budskapet i sine egne ligninger – at universet i sin natur var hvileløst og måtte være i bevegelse.
FRA EINSTEIN TIL HAWKING
I 1920- årene oppdaget to personer dette helt uavhengig av hverandre. Det var den russiske fysikeren Aleksandr Friedmann og den belgiske fysikeren og katolske pateren George Abbé Lemaître. De foranderlige universene disse to mennene oppdaget i Einsteins ligninger ble døpt Friedmann-lemaître-universer. Men i dag blir de nesten alltid kalt Big Bang-universer. I 1929 fikk vi observasjonsbevis på at vi virkelig levde i et univers i utvikling. Ved hjelp av Hooker-teleskopet på Mount Wilson utenfor
Når en singularitet dukker opp i en ligning, har vi et problem. Men da Hawking som ung så på problemet med singulariteten i Einsteins ligninger, førte det til noen forbløffende gjennombrudd.
Los Angeles, som med en lysåpning på 2,5 meter var datidens største teleskop, oppdaget den amerikanske astronomen Edwin Hubble at universet ekspanderte. Bestanddelene – galakser som vår egen Melkeveien – fløy vekk fra hverandre som granatsplinter etter en gigantisk eksplosjon.
Hvis en tenkte seg at universets ekspansjon gikk baklengs som en film under tilbakespoling, kom en til et tidspunkt – nå vet vi at det var for 13,82 milliarder år siden – da all materie var presset sammen i et ørlite volum. Det er øyeblikket da universet ble født. Det er Big Bang.
Et univers som simpelthen spratt fram en vakker dag, det var en svært lite attraktiv tanke, og tidlig på 1960-tallet var det få vitenskapsfolk som trodde på Big Bang-teorien. Heldigvis fantes det en måte å unngå den på. Hvis ny materie spruter ut av vakuumet mens galaksene flyr bort fra hverandre, kan den materien samle seg i nye galakser som fyller åpningene. Tross ekspansjonen kan universet ta seg likedan ut til enhver tid og følgelig være uendelig gammelt, slik at vi unngår det leie spørsmålet om hva som skjedde før Big Bang. Men denne «steady state»-teorien, som den britiske astronomen Sir Fred Hoyle støttet, skulle få et knusende slag da den kosmiske mikrobølgebakgrunnen ble oppdaget i 1965. Denne strålingen er simpelthen rester av Big Bangs ildkule.
Slik var altså den vitenskapelige bakgrunnen da Hawking hadde tatt doktorgraden og begynte å forske. I tankene så han for seg at universets ekspansjon gikk baklengs. Etter hvert som universet krymper og krymper, pakkes materien tettere og tettere sammen. Og da varmes den opp, det vet alle som har klemt sammen lufta i en sykkelpumpe. Big Bang var altså en het eksplosjon, noe også andre hadde innsett. Men i henhold til Einsteins teori har denne prosessen ingen grenser. Etter hvert som universet krymper til et punkt, flyr temperaturen og tettheten mot uendelig. Siden Einsteins teori forutsier en slik singularitet, har den ikke noe meningsfylt å fortelle oss om universets endelige skjebne. Dette var problemet. Spørsmålet var om det gikk an å unngå den katastrofale singulariteten ved tidens begynnelse. Det fantes én mulighet: Hvis universets materie spredte seg ujevnt, ville den ujevnheten tilta etter hvert som det tilbakespolte universet krympet. Forskjellige deler av det krympende universet behøvde ikke møtes i ett og samme punkt, de kunne unngå hverandre slik at de ikke dannet noen singularitet.
Siden Einsteins tyngdekraftteori ikke brøt sammen, ville det være mulig å følge universet til
«Spørsmålet var om det gikk an å unngå den katastrofale singulariteten ved tidens begynnelse. Det fantes én mulighet ...»
tiden før Big Bang. Kanskje universet for eksempel hadde trukket seg sammen i en kjempeskvis før det spratt ut igjen i Big Bang? Under arbeidet med slike spørsmål kom Hawkings kollega Brandon Carter til å nevne et foredrag han hadde hørt av den unge matematikeren Roger Penrose i London. Penrose brukte visstnok nye topologiske metoder til å studere dannelsen av en annen type singularitet, en som oppsto i hjertet av et svart hull – området med alvorlig fordreid romtid som blir igjen når en stjerne dør og synker katastrofalt sammen på grunn av sin egen tyngdekraft. Singulariteten i et svart hul var en singularitet i rom, ikke i tid, men den hadde mye til felles med singulariteten i Big Bang.
Hawking kontaktet Penrose. Det ble starten på et av de mest fruktbare samarbeidene i det 20. århundres fysikk. Mellom 1965 og 1970 beviste de to en rekke sterke singularitetsteoremer. Det viktigste var at Big Bangs singularitet under en rekke svært plausible forhold ville være uunngåelig. De viste at den ville danne seg uansett hvordan tilbakespolingen av universet forløp. Siden en singularitet er meningsløs, hadde Hawking og Penrose vist at Einsteins teori inneholder kimen til sin egen destruksjon. På samme måte som Newtons tyngdekraftteori viste seg å være en tilnærming til en dypere teori, nemlig Einsteins, er Einsteins tyngdekraftteori i sin tur en tilnærming til en enda dypere teori. Denne dypere teorien, som vi kaller kvantegravitasjon, har fysikerne ennå ikke funnet fram til. Først når den er på plass, vil vi kunne besvare det aller største spørsmålet: Hvor kommer det fra, dette universet som vi alle sammen lever i?