Denna pdf-fil är nedladdad från Illustrerad Vetenskaps webbplats ( och får ej lämnas vidare till tredjepart.

Transkript

1 Käre användare! Denna pdf-fil är nedladdad från Illustrerad Vetenskaps webbplats ( och får ej lämnas vidare till tredjepart. Av hänsyn till copyright innehåller den inga foton. Med vänlig hälsning Redaktionen

2 62 En ny banbrytande teori påstår att vårt universum inte är rumsligt utan platt som en pannkaka. Ytan frambringar en tredimensionell bild på samma sätt som ett hologram. ESO

3 Universum är ett hologram En fundamentalt ny idé är på väg inom kosmologin. Mycket tyder på att universum är en form av optisk illusion motsvarande de välkända tredimensionella bilder som strålar ut från hologrammen på våra betalkort. Den slutsatsen har den berömde fysikern Stephen Hawking kommit fram till efter att ha närstuderat svarta hål. Tidningen, kaffekoppen och bordet framför dig är inte vad de ger sig ut för att vara. I verkligheten skapas samtliga fenomen i vår tredimensionella värld av en yta, precis som när man tittar på ett hologram. I förstone kan forskarnas påstående låta som abstrakt nonsens. Teorin kan emellertid lösa ett allvarligt problem med en av fysikens mest grundläggande regler den som säger att universums innehåll av information aldrig kan försvinna. Information kan vara allt från händelser till objekt och ljus, och även om dessa löses upp och sprids, skall de emellertid alltid kunna återskapas. En speciell grupp av objekt har dock varit notoriskt problematiska, nämligen universums så kallade svarta hål. Om de svarta hålen inte är hologram, följer de inte regeln. Nya beräkningar visar emellertid att de svarta hålen inte kan vara hologram utan att universum som helhet också är det. Det är grunden för teorin om det holografiska universum. Forntiden lagras i nuet Idag har begreppet information blivit ett stort forskningsområde, och fysikernas teorier på den fronten har blivit lika matematiskt avancerade som de berömda teorierna om energins bevarande. Hur objekt lagrar och utväxlar information är nämligen oerhört väsentligt, för det är informationen som ger objekten deras innehåll och funktion. Till en början kan regeln om informationsbevarande vara svår att förlika sig med. Tar man till exempel en musik-cd och slår den i tusen bitar med en hammare, kan det verka som om den binära informationen på CDn har gått förlorad. Så är det emellertid inte. Händelsen är nämligen inpräntad i ljuset, som rör sig bort från platsen med kilometer per sekund. Om intelligenta varelser på en avlägsen planet riktar ett jätteteleskop mot jorden i exakt rätt ögonblick, kan de i princip studera CD-massakern in i minsta detalj och rekonstruera CDn. CDn skulle emellertid bete sig helt annorlunda, om den försvunnit in i ett svart hål. Tyngdkraftfältet i ett svart hål är så enormt att fysikens lagar inte längre kan redogöra för vart informationen tar vägen. All information tycks försvinna. Redan på 1970-talet lade den berömde fysikern Steven Hawking vid Cambridge University fram en möjlig lösning på problemet: Varje gång ett svart hål slukar ett objekt, växer ytan av dess så kallade händelsehorisont den yta omkring ett svart hål från vilken ljuset inte kan komma undan tyngdkraftfältet. Hawking föreslog att horisonten växer, eftersom informationen om de slukade objekten kanaliseras ut på den. I så fall kommer horisonten att bära all information om vad det svarta hålet innehåller. Händelsehorisonten är alltså en yta, och den kan därför uppfattas som ett hologram. Hawking kunde i samarbete med sina kollegor påvisa att informationen i svarta hål ligger på horisonten med en täthet på per kvadratcentimeter. Informationsmängden på en enda kvadratmillimeter svart hål är centiljoner gånger större än den sammanlagda informationen på alla hårddiskar i hela världen. Allting sparas på ytan Om svarta hål som de enda objekten i universum bevarar information på ytan, uppstår det emellertid en paradox. Låt oss anta att vi har tillgång till enorma mängder klossar med en bokstav på varje sida. Vi sätter nu samman åtta av dessa klossar till en kub som är dubbelt så stor i varje led. Kuben med klossar innehåller åtta gånger så många bokstäver som Av Dan Frederiksen 63

4 HENNING DALHOFF Omöjligt Det holografiska universum avslöjat av svarta hål Teorin om det holografiska universum har uppkommit för att lösa ett problem med svarta hål: om de svarta hålen inte uppför sig som hologram, bryter de mot en helt avgörande regel inom fysiken. Den säger att information om ett objekt kan spridas men under inga omständigheter försvinna. enligt fysiken Möjligt Informationen krossas i centrum I den ursprungliga teorin är ett svart hål något som slukar allt runt sig inte ens ljuset kommer undan det enorma tyngdkraftfältet. Den slukade materian bär på en uppsjö av information, och även den kommer att lösas upp. Informationen är alltså förlorad för evigt enligt fysiken Informationen lagras på ytan I den nya teorin kanaliserar det svarta hålet all information om sitt innehåll ut över sin yta. Med tiden kommer det svarta hålet att förångas genom att skicka ut strålning, och denna skvallrar om alla de objekt som det svarta hålet sugit in från stjärnor till galaxer. T. SCHWARZ/REUTERS/SCANPIX Fysikern Steven Hawking vid Cambridge University var den förste som fick idén till det holografiska universum. Nu har även andra ledande fysiker tagit teorin till sig. en enda kloss, men man inser snabbt att dess ytareal endast är fyra gånger större. Om bokstäverna på klossarna i den fördubblade kuben skulle skrivas på ytan, skulle det alltså finnas hälften så mycket plats till varje bokstav som på en enstaka kloss. Om man fortsätter att stapla klossar på det här sättet kommer platsen för varje enskild bokstav på ytan att bli mindre och mindre, och till sist skulle den bli oändligt liten. Detta går emellertid inte, för inget kan trycka ihop information tätare än ett svart hål. Vi har nått fram till en paradox, vars orsak ligger i skillnaden mellan den geometri som används till att beskriva det svarta hålet och den som används till allt annat. Såvida inte fysikens beskrivning av svarta hål är felaktig, kan paradoxen bara lösas på två sätt. Antingen kommer kuben med klossar att kollapsa till ett svart hål, långt innan den överskrider gränsen för informationstäthet, eller så har även vårt universum karaktären av ett hologram. Svarta hål kan alltså vara hologram, endast om hela universum är det. Svart hål förångas Teori är en sak, men att få en teori bekräftad genom observationer är något annat. Skall det lyckas, måste fysikerna använda sig av en annan egenskap som Hawking förutspått hos de svarta hålen nämligen att de sänder ut en speciell sorts strålning, kallad Hawkingstrålning, som borde kunna påvisas i experiment. Strålningen består av ena delen av speciella partikelpar, som hela tiden uppstår spontant överallt i universum. Normalt går paren genast under genom att smälta samman, men i närheten av ett svart hål kan partiklarna bete sig annorlunda. Dras ena delen av paret in i hålet, lämnar den andra detta med hög hastighet. Inom loppet av cirka år kommer ett svart hål att förångas på grund av den långsamma energiförlusten. Hawkingstrålningen därifrån kommer därför att innehålla den kompletta informationen 64 Illustrerad Vetenskap nr 17/2003

5 NASA År 1994 levererade Hubbleteleskopet det avgörande beviset för att svarta hål existerar, och sedan dess har man sett flera svarta hål. Det svarta hålet skickar inte ut något eget ljus utan det får omgivande gasmoln att skicka ut strålning. om allt hålet sugit in under tidernas lopp. Chansen för att observera Hawking strålningen från det närmaste svarta hålet är dock oerhört liten, för strålningen från de svarta hålen är så minimal att den drunknar i alla de andra former av strålning som genomkorsar universum. Vill forskarna kunna bekräfta strålningens existens, måste de själva skapa de objekt som får fram den, nämligen svarta hål. Fysikerna satsar speciellt på den nya gigantiska LHC-acceleratorn, som byggs på det europeiska kärnforskningscentret CERN. När acceleratorn om några år börjar kollidera partiklar med ljusets hastighet, kommer kollisionerna förhoppningsvis att uppnå den extrema täthet som kan skapa ett svart hål. Varje hål kommer att ha en massa som bara motsvarar några hundra protoner, men det är tillräckligt. Eftersom hålet är så litet, förångas det fortare, varpå Hawkingstrålningen från sönderfallet kan iakttas. Innehåller strålningen då information om de ursprungliga partiklarnas laddning, energi, spinn och andra egenskaper, bekräftar det hypotesen om informationsbevarande. Ännu kan vi bara spekulera om vilken form av rymd och materia som ingår Illustrerad Vetenskap nr 17/2003 i framtidens naturvetenskap. Avståndet mellan information på ytan av ett svart hål är triljoner gånger mindre än diametern av en proton. Det motsvarar ganska exakt längden av den allra minsta byggstenen i universum, den så kallade supersträngen, som har bildat grundval för en helt ny gren inom vetenskapen. Bomb under fysiken Mycket tyder på att supersträngsteorin bär holografiska drag. Redan 1998 visade fysikern Juan Maldacena matematiskt att ett svart hål bara kan byggas upp av supersträngar. Hans beräkningar ägde rum i ett speciellt femdimensionellt rum, och hans kollegor var förbluffade, då han kunde visa att det teoretiskt framställda svarta hålet var ett hologram. Utforskningen av supersträngar som byggstenar för de svarta hålen är i full gång. Enligt beräkningar kommer supersträngar i närheten av svarta hål att dras ut över hela hålets yta. Hålen påminner därför mer om trassliga garnnystan än om klot, vars information är snyggt placerad i rader och i ordningsföljd. Modellen är intressant, eftersom den samtidigt kan förklara utsändandet av Hawkingstrålning. Om supersträngarna faller till en lägre energinivå, kommer överskottsenergin att skickas ut som strålning med helt rätt sammansättning. Därmed fungerar supersträngarna liksom elektronerna runt en atomkärna de avger ett karakteristiskt ljus varje gång de faller in mot atomens kärna. Idag ligger flera holografiska rymder klara på ritborden, och det är långt ifrån klart vilken den slutgiltiga lösningen blir. Detta kan dock snart ändras. De kommande tio åren kommer de svarta hålen att studeras intensivare än någonsin tidigare, och resultatet kan revolutionera det sätt på vilket vi uppfattat universum från elementarpartiklar till tunga svarta hål. Om universum inte är rumsligt utan platt, lyder det under helt andra fysikaliska lagar än dem som fysikerna hittills har ställt upp. I hologrammet kommer tid och rum till exempel inte att vara separata begrepp, och det är möjligt att dåtid, nutid och framtid inte avlöser varandra utan existerar samtidigt. På så sätt kommer hologrammet även att innehålla hela universums historia. Med de rätta verktygen kan vi kanske en dag få hologrammet att berätta den. 65