Hoppa till huvudinnehåll

Vetenskap

Kvanthopp: Avsnittet om absolut ingenting – hur tom kan en låda bli?

En tom, vit kartongask.
Bild: Mostphotos

Nååå, vad önskar du dig till din födelsedag i år då? “Äh, vet du... ingenting…”

Saken klar, det ska jag fixa. Men du ska veta att det inte är så lätt som du tror. Att bli av med allting så att ingenting återstår, bokstavligen, det är… utmanande.

Veckans avsnitt av Kvanthopp handlar alltså om ingenting. Lite så där som favorit-sitcomen från 90-talet, Seinfeld. Jerry Seinfeld brukade definiera den showen som “en show om ingenting”.

Undertecknad har också länge haft som avsikt att göra ett avsnitt av Kvanthopp om ingenting, men någonting har alltid kommit i vägen. Men häromdagen råkade jag höra en föreläsning av den tyska teoretiska fysikern Sabine Hossenfelder.

Porträtt av den teoretiska fysikern Sabine Hossenfelder.
Bildtext Sabine Hossenfelder: Mycket väsen om ingenting
Bild: Sabine Hossenfelder

Hossenfelder talade nyligen på sin Youtubekanal om “ingentings nio nivåer”, uttryckligen ur fysikens perspektiv.

Men också Hossenfelder medgav att ingenting är ett lite knepigt koncept att tala om, för så fort som du talar om ingenting så blir ju ingenting rent utgångsmässigt någonting. Nå, vi gör ett tappert försök.

Själva definitionen på ingenting

Sabine Hossenfelder är för övrigt inte den första som försöker sig på en vetenskaplig definition av ingenting. Hon baserar sitt resonemang på en essä av Robert Lawrence Kuhn.

Hur som helst så utgår ingentings nio nivåer alltså från en födelsedagspresent. Säg nu att jag frågar dig vad du önskar dig som gåva när du nu har födelsedag snart. ”Äsch, ingenting” säger du kanske då.

Okej då, säg nu att jag tar dig på orden. Jag ger dig en tom låda. Du öppnar den – och blir besviken. ”Heeej! Den är ju inte tom!”

Nej, det har du ju så rätt i. Och det är här som vi anländer till den första nivån av nio.

Nivå ett: ”Ingenting” i vardagliga termer

Ingentings första nivå är det där som vi hänvisar till när vi talar om ingenting i vardagsspråket. Det där ingenting som vi hänvisar till innan vi ens har hört om vetenskap eller fysik, nödvändigtvis. En tom låda, helt enkelt. Det är ingenting, det vill säga inga saker i den.

Och mycket mer än så finns inte att säga om nivå ett på skalan över ingentings nio nivåer. Det är en tom låda, en låda som de flesta av oss vid första anblick skulle identifiera som att den innehåller ingenting.

Kuumailmapallo lentää metsäautotien yllä.
Bildtext För att vara ”tomma luften” är gasen som omger oss förvånansvärt bra på att bära upp saker.
Bild: Niko Mannonen / Yle

Men, som du redan konstaterade, det är ju inte helt korrekt. En tom kartong innehåller ju åtminstone luft, det vill säga en gasmix bestående av 78 procent kväve, 21 procent syre, lite koldioxid och diverse andra gaser i små mängder. Sannolikt finns där också lite damm i lådan. En del småkryp i stil med dammkvalster förekommer kanske också, och säkert också diverse bakterier och kanske virus.

Så det är strikt taget inte ingenting i lådan, och om du önskade dig ingenting har du all rätt att bli lite besviken. Så vi får jobba vidare. Vi tömmer lådan på allt det som jag nämnde nyss, luften och bobborna och allt det där. Och då kommer vi till –

Nivå två: ”Sextonhundratals”-vakuum

Efter att vi har sugit ut, så gott vi kan, luften och alla de mikroskopiska småkrypen och dammkornen, återstår en låda med det som förr i tiden betraktades som vakuum. Ordet vakuum kommer för övrigt från det latinska ordet vacuus, som betyder ”tom”.

I vardagsjargongen definierar vi vakuum som någonting som i praktiken betyder en volym där trycket är mycket mindre än det rådande atmosfäriska trycket. Inte nödvändigtvis ett där absolut inga partiklar av materia förekommer. Det är alltså vad som finns i lådan med din present just nu.

En av de första som talade om vakuum var Aristoteles. Han menade att naturen skydde vakuum, det var ett onaturligt tillstånd, och som därmed inte kunde existera.

Men det var alltså på 1600-talet som den italienska fysikern Evangelista Torricelli bevisade att Aristoteles har fel, vakuum är någonting verkligt. Torricelli är för övrigt mannen som uppfann barometern. 1641 utförde Torricelli ett experiment där han vände ett kvicksilverfyllt glasrör upp och ned. Han såg då att kvicksilverytan sjönk en bit i röret, vilket lämnade ett tomrum kvar ovanför kvicksilvret. Ett tomrum utan luft.

Tomrummet i röret stred alltså mot Aristoteles etablerade lära, så det här var radikalt och nästan kätterskt på den här tiden. Men resultatet från ett kompletterande experiment av Blaise Pascal gav vakuumhypotesen sin slutgiltiga OK-stämpel.

Kopparstick föreställande det berömda "Magdeburgs halvklot"-experimentet.
Bildtext ”Magdeburgs halvklot” var ett experiment som bevisade kraften i vakuum. De två halvkloten, med luften mellan dem bortpumpad, satt så hårt samman att två hästspann inte lyckades dra dem isär.
Bild: Gaspar Schott

1654 konstruerade den tyske uppfinnaren Otto von Guericke den första kända vakuumpumpen. Den använde han i sitt berömda experiment kallat Magdeburgs halvklot. I det experimentet visade von Guericke att inte ens ett par hästspann kunde skilja åt två halvklot där luften hade pumpats ut. Den mesta luften. Vi är alltså bara på ingentings andra nivå ännu.

Men okej. Det handlar alltså inte nu om dammiga 1600-talsforskare, utan om din födelsedagsgåva. Du ville ha ingenting som present, och det ska vi se till att du får.

Nivå tre: Ett farväl till det materiella

Ingentings tredje nivå går alltså ut på att vi verkligen avlägsnar allting konkret och fysiskt från lådan. All materia.

Men då räcker det inte att vi avlägsnar all luft från lådan. Också om vi pumpar ut varenda en kväve-, syre- och koldioxidpartikel med mera, finns där ändå sporadiska partiklar i stil med kosmisk strålning, eller kosmiska partiklar. De där små gevärskulorna som svischar omkring i rymden. Protoner som slungas ut från supernovor och de svarta hålens polarjetstrålar etcetera, som också vi här på jorden peppras med varje dag. De hittar också in i din födelsedagslåda. Så de måste bort.

Fysiker har kommit fram till att svarta hål kanske kan producera neutriner.
Bildtext Bland annat supernovor producerar kosmisk strålning, supersnabba protoner som svischar runt i rymden och tränger in i allt som kommer i deras väg. Också din födelsedagslåda.
Bild: NASA

Vidare finns här helt säkert neutriner, våra kroppar bombarderas ju varje sekund någonting i stil med 100 biljoner neutriner från solen som passerar rakt igenom oss och hela jorden som om vi inte fanns här. Också neutrinerna måste avlägsnas från lådan. Hur det nu ska gå till. Samma gäller eventuella partiklar av mörk materia, som kanske existerar, eller så inte. Också de ska bort.

Och när allt det är eliminerat från lådan, då har vi uppnått ingentings tredje nivå. Problemet är bara att det inte riktigt räcker till. Du är fortfarande besviken. Det finns fortfarande någonting i lådan.

Nivå fyra: Ajöss till strålningen

Också efter att alla partiklar av materia är avlägsnade från din gåvoförpackning, finns där ju strålning kvar. Jag nämnde den kosmiska strålningen på nivå tre, men den består alltså av protoner, som är materia, som har massa.

Elektromagnetisk strålning, typ infraröd strålning, ljus, radiovågor och liknande, består ju av fotoner. Och fotoner har ingen massa. Så också om all luft och all annan materia har avlägsnats ur lådan, så innehåller den fortfarande elektromagnetisk strålning som läcker in genom lådans väggar. Så lådan innehåller med andra ord fortfarande någonting.

Revontulia Hämeenlinnan taivaalla
Bildtext Norrsken orsakas av laddade partiklar från solen som törnar in i jordens magnetfält, den så kallade magnetosfären. Och den, precis som en hel massa olika sorters elektromagnetisk strålning, finns fortfarande kvar inuti din låda.
Bild: Camilla Sipponen

Ja, och jordens magnetfält passerar också fortfarande obehindrat genom lådan, så det finns magnetism i lådan. Vilket också måste bort. Och när allt det här är eliminerat, då har vi alltså nått ingentings fjärde nivå. Det som vår tids forskare skulle kunna hålla med om att jo, nu snackar vi vakuum här! Det tjugoförsta seklets vakuum har det också kallats.

Men hast du mir gesehen – du är fortfarande inte nöjd. Lådan är inte tom, insisterar du. Jaha, nå, strikt taget har du ju rätt, så – vi fortsätter.

Nivå fem: Bort med vakuumet också!

Jo, för att nå nivå fem måste vi avlägsna ett par saker till. Till att börja med, det där som får universum att utvidgas och får galaxerna att avlägsna sig från varandra i rasande takt. Vissa kallar det mörk energi. Einstein kallade det för den kosmologiska konstanten. Det brukar kallas lambda.

Nå, Sabine Hossenfelder, som jag lånar hela den här ingentings nio nivåer-skalan av, är inte ens övertygad om att någon mörk energi existerar, hon menar att den bara är en manifestation av rymdens krökning. Geometri, med andra ord.

Men nåjo, det här är en av de här evighetsdiskussionerna som bara slutar med dålig stämning och folk som inte talar med varandra, så vi skippar det.

Men också om vi inte räknar med den mörka energin, eller om vi avlägsnar den för säkerhets skull, ifall att den skulle existera på riktigt, så är lådan inte helt tom. Många av vår tids ledande fysiker hävdar ju att själva vakuumet, tömt på luft, materia, strålning och magnetfält, fortfarande har en egen energidensitet och ett tryck.

Största delen av den moderna teoretiska fysiken, inte minst partikelfysiken, är baserad på någonting som heter kvantfältteori (QFT på engelska, från Quantum Field Theory).

Som fysiken ser det genomsyras universum, också tomma rymden, inklusive din redan sällsynt tomma låda, av ett så kallat kvantskum. På den allra minsta nivån. Vi snackar då planckskalenivå, 10-35 m.

Grafisk representation av så kallat kvantskum.
Bildtext Namnet kvantskum myntades av fysikern John Archibald Wheeler 1955. I den extremt småskaliga miljön råder ett kaotiskt tillstånd. Skulle man kunna zooma in och titta på själva rumtidsväven, skulle det se ut som ett stormpiskat hav.
Bild: Jarrokam

På den här allra minsta nivån, i det här kvantskummet, råder ett kaotiskt tillstånd. Skulle man kunna zooma in och titta det här skummet skulle det se ut som ett stormpiskat hav. Men man kan naturligtvis inte göra det, det är mycket mindre än vad våra mikroskop kan se. Man kan däremot sluta sig till att något sådant finns där, baserat på hur det påverkar olika partiklar.

Och i det här ”stormpiskade havet”, i kvantskummet, pågår ett oavbrutet skapande och förstörande av virtuella partiklar. Pyttesmå partiklar och extremt små svarta hål ploppar upp från ingenstans för att lika snabbt försvinna igen. Man kan se det som blixtsnabba övergångar mellan materia och energi.

Inom kvantfältsteorier beskrivs partiklar som excitationer av fält, och det hela visualiseras ofta med hjälp av Feynmandiagram, uppfunna av den amerikanska fysikern Richard Feynman. Det var han som sade att ”om du tror att du förstår kvantmekaniken, då förstår du inte kvantmekaniken”. Så känn dig inte dum om du inte begriper det här. Inte gör jag det heller.

En av de mest berömda kvantfältsteorierna är i alla fall partikelfysikens standardmodell, som beskriver den fundamentala strukturen hos själva materien och hur olika partiklar växelverkar med varandra.

Men hur som helst, din tomma låda är alltså full av det här kvantskummet. Och inte förrän vi har blivit av med det har vi nått nivå fem på skalan över ingentings nio nivåer.

Men också nu blir vi tvungna att jobba övertid. För lådan är inte tom ännu heller, tro det eller inte.

Nivå sex: Adjö till rymden och tiden

Just det, också efter att vi har kastat ut all materia, all strålning, alla magnetfält, till och med själva kvantskummet ur lådan, finns det fortfarande rymd och tid i lådan. Och tid är pengar, och pengar är roten till allt ont, som Sabine Hossenfelder konstaterar.

Men nu blir det hur som helst riktigt jäkla konstigt, det här, för nu avlägsnar vi själva rumtiden. Rymden och tiden. Så att du ska få det du ville ha till födelsedagen – ingenting.

För att bli av med rymden och tiden inuti lådan måste vi också eliminera alla eventuella ekvationer och naturlagar som kunde tänkas ge upphov till tid och rymd när vi vänder ryggen till. I stil med strängarna kända från strängteorin, och den hittills gäckande teorin om kvantgravitationen. Teorin om allting, med andra ord, som Stephen Hawking och många andra har jagat längs med åren.

Professor Stephen Hawking 2014.
Bildtext Nej, professor Hawking, Teorin om allting finns inte i den här lådan.
Bild: Cristobal Garcia / EPA

Allt det är nu borta ur lådan. Med andra ord, nu har vi nått nivå sex, och nu börjar det se tomt ut. Men är det tomt på riktigt? Njaaa… inte direkt. Vi får nog ringa hem och säga att vänta inte uppe, det blir sent det här.

Nivå sju: Gudarnas död

Det som vi har avlägsnat från lådan så här långt är ju allt sådant som hör till den fysiska världen. Men tänk om religionerna har rätt, och det existerar gudar. De brukar ju sägas stå utanför tid och rum. Och om de existerar, vilket åtminstone jag inte kan utesluta med full säkerhet, så måste de också bort.

En annan icke-materiell sak som enligt vissa inte hör till den fysiska verkligheten är medvetandet, som vi egentligen inte riktigt är på det klara med. Vad är det, hur uppstår det, var finns det? Nå inte i din låda i alla fall, från och med nu.

Guden Tor strider med jättar Mårten Eskil Winges målning från 1872.
Bildtext Inga gudar heller i den här lådan.
Bild: GL Archive / Alamy/All Over Press

Med andra ord, på nivå sju avlägsnar vi allt dylikt, icke-fysiskt stuff, all teologi, alla myter och spöken och karma och allt det där, oavsett om det existerar eller inte. Nu gör det åtminstone inte det, inte inom din lådas fyra väggar.

Men är lådan tom nu då? Nå, öh, nej.

Nivå åtta: Hej då till matematiken

Sabine Hossenfelder, den tyska teoretiska fysikern som jag alltså lånar den här skalan av, medger att många redan i det här skedet hade varit helt okej att kalla lådan tom och lägga av och gå på en öl. Men det är fortfarande möjligt att hävda att det ännu kan existera matematik i lådan. Också sedan gudarna och spökena har kastats ut. Vad är nu det här?

Tja, det är abstrakta idéer, irrationella tal, logik, sanningar och falskheter. Ja, och faktiskt också hela Platons idévärld.

Matematiska formler
Bildtext Både matematiken och Platons idévärld är härmed bannlysta från lådan.

Med andra ord, Platon sade alltså att det som vi med våra sinnen kan uppfatta som verkligheten inte är den äkta verkligheten, det är bara en skuggbild. Tillvaron, eller den äkta verkligheten, är oföränderlig och sann, och kallas av Platon för idévärlden. Nå, nu är den också ute ur lådan. Hej då, Platon, och hej då, matematiken.

Nu skulle jag redan vara ganska nöjd med min gåva om jag var du. Här, på nivå åtta, kan man redan säga att du har fått någonting som är så nära ingenting som det överhuvudtaget går att föreställa sig.

Men nästan räknas inte ens i Nådendal, som de säger.

Nivå nio: Ja, men tänk om…

För att nå den högsta möjliga nivån av ingenting, måste vi ta i beaktande att det finns en möjlighet att någonting uppenbarar sig i lådan. Någonting som vi inte har tagit i beaktande. Och en möjlighet, det är ju någonting i sig. Så länge det finns liv finns det hopp. Så vi måste eliminera själva möjligheten för att någonting dyker upp i lådan. Vi måste eliminera hoppet.

Det sägs ju att hoppet är det sista som överger en människa. Och tydligen är hoppet det sista som din födelsedagslåda innehåller. Och nu är också det borta. Hoppas innerligt att du är nöjd nu.

Och hej – om du nu säger att ”jamen nu innehåller lådan ingenting. Och också ingenting är ju de facto någonting!” – tja, då blir jag nog ledsen, vet du. Dessutom har vi redan kastat ut all filosofi ur lådan, så den förklaringen håller inte längre.

Symbolerna för tro, hopp och kärlek i ett fönster.
Bildtext Tron uteslöts redan, och nu hoppet... betyder det att kärleken finns kvar i lådan också då allt annat är borta?
Bild: Raila Paavola / Yle

Dessutom, var försiktig: man kunde mycket väl argumentera för att lådan inte innehåller ett perfekt ingenting så länge som någon är medveten om den och talar om den. Det kunde med andra ord bli nödvändigt att eliminera dig och mig. Eller så håller du till godo med lådan sådan som den är. Ditt val.

I praktiken kunde vi ha avslutat den här diskussionen redan vid nivå fyra eller så. Jag menar, det här är ett program om vetenskap, det som vi vet om världen med någon sorts säkerhet. Men man dör ju inte av att spekulera en aning.

Och det är ju grejen med vetenskapen numera, inte minst fysiken och kosmologin, att gränserna har förskjutits så långt ut att de yttersta vetenskapliga frågorna alltmer börjar bli svåra att skilja från filosofi och ren spekulation.

Varför existerar det någonting istället för ingenting i universum? Det här är något som vetenskapen på riktigt funderar på. Det är en mycket bra fråga, en som vi inte har något svar på, men vi får kanske ändå lov att återkomma till den i ett annat avsnitt. När vi nu har talat om ingenting så får vi väl lov att tala om någonting också.

Mer om ämnet på Yle Arenan