NATURVETENSKAP

 

Om matematik tillhör kulturvetenskaperna eller naturvetenskaperna är en knepig fråga. Dess uppkomst tillhör definitivt kulturvetenskapen men dess användning och fundamentala ställning inom fysiken har gjort att den brukar räknas till naturvetenskapen. Den lärs också ut vid naturvetenskapliga fakulteter. Men det är intressant att notera att det inte finns något nobelpris i matematik.

Vid nobelprisceremonin ges alltid priset i fysik ut före priserna i kemi och medicin. Det är inte så konstigt när man betänker att en av fysikens stora upptäckter, elektromagnetismen, står för nästan allt av vikt för oss här på jorden. Genom elektromagnetismens vågor får vi all energi från solen. Våra sinnen, vår ämnesomsättning, biologiska och kemiska processer, liksom friktion mellan kroppar är allt resultat av elektromagnetiska krafter.

Men naturvetenskapen studerar mycket mer än elektromagnetismens lagar. Dess mål är att förklara inte bara vad som händer här på jorden, utan också vad som händer t ex i solens inre och vad som hände vid universums uppkomst. Till och med den store teoretiske fysikern Stephen Hawking har dock tvingats konstatera: "Det visar sig vara mycket svårt att hitta på en teori som beskriver hela universum i ett enda svep. Vi delar istället upp problemet i småbitar och uppställer ett antal delteorier."[1]

 

Reduktionism

                                           

Härska genom delning är naturvetenskapens styrka. Att naturvetenskapen är analytisk och inte holistisk till sin grundinställning behöver emellertid inte betyda att det inte finns användning för holistiska grepp. Antagandet om en genetisk kod har haft en positiv betydelse för såväl utvecklingen av evolutionsbiologin som för knäckandet av koden i sig. Antagandet om den Kopernikanska principen, att det inte är något speciellt med oss och vår plats i universum, har gång på gång visat sig vara en fungerande slagruta i fysikens historia.

Kort och gott kan man beskriva den analytiska metoden inom studiet av naturen som att man letar efter periodiska signaler. När man lyckas beskriva ett fysiskt fenomen som en uppsättning periodiska signaler, regelbundenheter, kan man enkelt beräkna dess dynamiska beteende med hjälp av matematiska modeller för linjära relationer. I sådana system är det hela helt enkelt summan av sina delar, d v s oavsett hur komplext systemets beteende är kan det reduceras till sina ingående delar. Värmeflöden, spänningar i material, elektromagnetism och svaga gravitationsfält, spridning av gaser och vätskor och en lång rad andra saker kan reduceras på detta sätt. Ingen väsentlig information går förlorad när systemen representeras med enkla matematiska modeller.

En annan sida av reduktionismen är att dela upp verkligheten i effektivt åtskilda komponenter av sådana linjära system. Samband där vissa system ingår som delar i andra system kan bli mycket rekursiva men är ändå hanterbara. Jämför här med succén för objektorienterade programmeringsspråk för datorer.

Det brukar tillskrivas reduktionismen att den tar bort rollen för den fria viljan och att fysiken som den vetenskap som bäst lyckats reducera sitt ämnesområde står i motsättning till liv och humanitet. Detta är inte sant, men förklaringen är sammansatt och när vi återkommer till frågan en sista gång i slutet av boken har förhoppningsvis grunden lagts för en bättre förståelse av såväl frågan om den fria viljans plats som svaret. Men det är sant att fysiken är den mest anspråksfulla av alla vetenskaper, den omfattar allt som är fattbart och har som princip att allt är fattbart i princip!

 

Fysik

 

Den mest allomfattande observation som kan göras i ett enda svep om naturen i sin helhet är förmodligen att allt förändras. Det finns rörelse överallt. Inget verkar beständigt. Allt som händer kan sammanfattas med begreppet rörelse. Men djävulen finns som bekant i detaljerna. Redan de gamla grekerna hade börjat studera hur man kunde precisera begreppet rörelse, och studiet kallades fysik.[2]

Hela den klassiska fysiken är ett skolexempel på hur man använder den analytiska metoden för att precisera begreppet rörelse alltmer genom att studera exempel på rörelse och därmed bygga upp en kunskapsbank om vad som händer i naturen. De generaliseringar som därefter kan göras ger oerhört mycket mer insikt än de skulle gjort om man hade börjat med att generalisera om rörelse i allmänhet.

De exempel fysikerna studerar analyseras med avseende på olika tillstånd hos dynamiska system vid olika tidpunkter. Tanken är att alla dynamiska system har en nivå där deras minsta delar är ogenomträngliga och därför bara kan finnas en och en på samma positioner vid samma tidpunkter. Detta gör beskrivningar av rörelsen motsägelsefria och formaliserbara i matematiska modeller. Den egenskap hos rörelsen vi kallar hastighet kan nu studeras i detalj. Det visar sig att olika hastigheter kan urskiljas,  att hastigheter har en riktning och att summan av olika hastigheter inte är mer än sina delar!

En särskilt betydelsefull klass av dynamiska system i fysikens historia är klockor därför att de bestämmer vad tid är. Tid är det man läser av på en klocka varken mer eller mindre. Klockan går, men tiden rör sig inte ur fläcken.[3] Tidpunkter följer den gamla kortspelsregeln: Lagt kort ligger! Avstånd mellan positioner i rummet kan också mätas med hjälp av klockor. Om något rör sig med en bestämd hastighet mellan två tidavläsningar på klockan vet vi hur långt detta något har rört sig.

Man brukar beskriva rörelse som positionsförändring över tid även om både relativ position och relativ tid bestäms av rörelsen hos en klocka. Rörelsen hos en klocka är förhoppningsvis av konstant hastighet. Med hjälp av att införa tal som rums- och tidskoordinater kunde fysikerna trots den cirkulära beskrivningen[4] lyfta sig själva i håret och beräkna förändringar i hastighet. Begreppet acceleration var fött! Nu kunde man tackla nya problem, som att förstå varför du aldrig kan vara snabbare än din skugga! Skuggor gör inget motstånd och skulle i princip kunna accelerera hur snabbt som helst. Men du kan inte få en skugga att röra sig genom att sparka till den. Massa definieras i den klassiska fysiken med hjälp av acceleration. Nu kunde man plugga in siffror för massa och fann att summan av alla produkter av massa och hastighet förblev konstant. Man hade funnit en symmetri likt den för lutningen på sandhögar. Rörelsemomentet förblir detsamma under ett dynamiskt systems hela historia.

Det stämmer inte med vår vardagliga erfarenhet. När vi rullar iväg ett klot stannar det så småningom även om det inte stöter på något hinder. Men det beror på friktionen mot underlaget. Och vad är då friktionen? Det är omvandlingen av rörelsemomentet i klotet till mer oordnade partikelrörelser, värme, som inte alla drar åt samma håll men tillsammans har samma rörelsemoment. Rörelsens kvantitet förblir densamma.

Om du står på ett underlag utan friktion, en helt perfekt plan is, kan du inte röra dig framåt eller bakåt, men du kan börja snurra genom att bara vifta med armen över huvudet. Rotationens rörelsemoment, det s k rotationsmomentet, bevaras genom att kroppen börjar snurra.

Om du står på en sluttande is utan friktion kommer du däremot inte att kunna undgå att röra dig, men om du rör dig framåt eller bakåt beror på hur du vänder dig. Det här rörelsemomentet beror på din kontakt med jorden som helhet medan friktionen handlar om kontakten på molekylär nivå.  Fysiken kallar kontakten för krafter. I friktionen är det den elektromagnetiska kraften som verkar och i kontakten med jorden som helhet är det naturligtvis gravitationens kraft som verkar.

Krafter fyller på eller tappar av rörelsemoment mellan kroppar. När jag går upp i hopptornet fyller jag på det rörelsemoment jag kan använda mig av vid simhoppet. Hur många saltomortaler jag kan göra innan jag slår i vattenytan är ett uttryck för denna rörelsepotential (kinetisk energi) som snabbt töms i friktionen mot vattnet. På vägen ner upprätthålls balansen genom att man inför begreppet potentiell energi kopplat till gravitationen. Summan av den kinetiska energin och den potentiella energin är hela tiden samma. Rörelsens kvantitet i mig, hopptornet och simbassängen sammantaget förblir densamma. Den rörelse som tycks uppstå och försvinna är bara en effekt av växelverkan mellan olika organisationsnivåer av "rörliga bitar". Att energin bevaras är detsamma som att den är symmetrisk över tid och att rörelsemomentet bevaras är detsamma som att det är symmetriskt över avstånd. Einstein upptäckte att rörelse har ett naturligt mått, ljushastigheten, och att energi aldrig kan transporteras snabbare än ljuset.[5]

Massan hos kroppar har definierats med hjälp av den kraft som krävs för att få kroppar att accelerera oavsett var kraften kommer ifrån. Att kroppars tröghet och vikt alltid är detsamma är därför bara ytterligare ett självklart symmetrifaktum även om det tog en Einstein att upptäcka det.

Liksom Einstein i sin speciella relativitetsteori gav rörelse en måttstock en gång för alla gav han i sin allmänna relativitetsteori vila en slutgiltig beskrivning. Vila, motsatsen till rörelse, är fritt fall! Den enda rörelse vi kan mäta är allt som inte är fritt fall. I fritt fall faller alla kroppar oavsett storlek, form, färg eller andra egenskaper lika fort, ingen relativ rörelse kan mätas. I fritt fall väger inte kroppar någonting. Men om de inte föll parallellt, om rummet de föll genom på något sätt var krökt, så att de alla föll mot samma punkt så skulle de accelerera mot varandra. I den allmänna relativitetsteorin faller de genom den fyrdimensionella rumtiden som kröks av allting som transporterar energi i en eller annan form. Krökning av rumtiden är helt enkelt acceleration. Det är den elegantaste beskrivningen av rörelse som finns. Den gamla beskrivningen av rörelse mot bakgrund av ett absolut rum och en absolut tid fungerar bra i de flesta fall därför att hela vår galax befinner sig i praktiskt taget fritt fall, liksom alla övriga galaxer.

Om vi kan beskriva ett dynamiskt system i ett "fruset ögonblick" vad avser position, massa, energinivåer som ingår i systemets rörelseekvationer är systemets historia från början till slut determinerad. Beräkningarna kan vara oöverskådliga, men varje pusselbit har sin plats i bilden av systemets hela historia antingen vi hittat den eller inte. Detta är en konsekvens av att det finns ett entydigt sätt att beskriva ett systems verkan från ett ögonblick till nästa.[6] Den som använder en klocka är en determinist antingen han är medveten om det eller inte. Analogin mellan naturens reproducerbarhet och klockans regelbundna gång möjliggör såväl fysiken som den vardagliga användningen av begreppet tid. Det finns inte ett enda "gap" i naturen där man skulle kunna plugga in ett mirakel istället för en siffra! Detta är reduktionismens stora seger. Det är i själva verket en seger för tanken. Utan symmetrierna skulle inga tankar kunna formuleras och ingen kommunikation vara möjlig.

På tal om klocka, om man kunde fästa en klocka på en ljusstråle skulle den stå still – tala om vila! - ljus och annan elektromagnetisk strålning befinner sig nämligen alltid i fritt fall i vakuum.[7]

Gud är död 

 

Påven sa till Stephen Hawking[8] att den katolske guden lämnat tiden efter Big Bang för vetenskapsmännen att studera och själv enbart dominerar tiden före inflationen. Hur inflationen och Big Bang är relaterade i standardkosmologin ägnas ett längre avsnitt i tredje kapitlet. Här ska bara sägas att i universums tillblivelse övergår inflationsperioden i fortsättningen av standardkosmologins Big Bang.

Orsaken till att påven ger sig in på dessa marker måste vara att enligt den gängse teorin blir all eventuell struktur och information från tiden före utplånad av inflationen. Påven måste, när han hörde detta blivit mer än förtjust, äntligen fanns en plats där Guds ansikte aldrig kunde ses, där han kunde få ha Honom för sig själv utan att klåfingriga vetenskapsmän klampade in och förstörde den himmelska friden.

Men mycket har  hänt sedan standardmodellen för universums tillblivelse tillkom. I och med de nyligen upptäckta symmetrierna inom supersträngteorin hamnar alla försök att undanhålla någon liten del av universums hela förlopp för en skapare, av vilket slag det vara månde, ut för seriösa problem. Supersträngteorin och supersymmetrier behandlas i kapitel fyra, liksom M-teori som ger så djupa insikter i naturens gåtor att alla gudar med lite förutseende borde ha stoppat vetenskapsmännen innan de redan hade M-teorin i sina knän. Med M-teorin har naturvetenskapen kommit så nära de yttersta svaren att gudarna må blekna.

Påvens hållning är för övrigt ett typexempel på ett dåligt argument.  De flesta dåliga argument kan kännas igen på att de inte ger en bättre förståelse än de förklaringar vi redan använder trots att de kommer med nya oförklarade påståenden. Alla argument som sätter gränser för rationaliteten - hit men inte längre kan man argumentera rationellt - är dåliga argument i just den bemärkelsen eftersom de bara kan förstås mot bakgrund av det vi redan förstår plus att de påstår - utan förklaring - att det finns den ena eller andra godtyckliga gränsen för vetenskaplig kunskap.

På tal om förklaringar vi redan använder, så är det en relativt ny upptäckt att redan den uppsättning symmetrier som är etablerad inom huvudfåran i fysiken räcker för att ta loven av alla tankar om ett planerat/uttänkt universum.[9]

Många - även framstående - vetenskapsmän, har förundrats över sina egna beräkningar och mätresultat och tyckt sig se en intelligent design bakom alltihop. Ännu fler, icke vetenskapligt skolade, har tagit för givet att naturlagarna, som gör allt vi upplever möjligt, måste ha utformats med stor beräkning. Alltså kan inte naturvetenskapens grundtes att naturen är ateleologisk, utan avsikt, vara sann. Ju mer kunskap om naturen som ackumulerades, ju mer verkade finstämdheten och precisionen tyda på att allt har en mening och att det ligger en övermänsklig beräkningsförmåga och design i slutet av vår kunskapssträvan.

Inte minst nu i newage-erans mörka tidsålder är det därför av yttersta vikt att kommentera dessa invändningar genom att lyfta fram en av de största upptäcker som gjorts de senaste decennierna inom naturvetenskaperna - Om de fundamentala naturlagar som upptäckts av naturvetenskapen är giltiga kan det inte finnas någon bakomliggande uträkning av verkligheten.

Ett annat sätt att uttrycka detta är, att tro på Guds existens är inte i överensstämmelse med vår erfarenhet av naturlagarna. Och detta inte bara i den banala meningen att Gud i så fall måste kunna sätta sig över naturlagarna, vilket de flesta religiösa människor ser som en grundtes (och religiösa vetenskapsmän fram till bara något decennium sedan kunde rättfärdiga sin samtidiga Gudstro och studier av naturlagarna med), utan i den mycket djupare meningen att vår kunskap om naturlagarna motbevisar Guds existens.

Som vi ska se i fjärde kapitlet som handlar om den ännu nyare fysiken bortom Standardmodellen så uppvisar verkligheten vid gränsen för det mätbara en spegelsymmetri mellan det stora och det lilla samt en odifferentierbarhet mellan icke-existens och existens. Men även inom det mätbara området, där allt som existerar är beräkning, uppvisar verkligheten en symmetri som matematiskt representeras med en Poincaré grupp och som i det här sammanhanget står för att det inte finns några särskilt utmärkande platser eller riktningar i rumtiden.

Den verkligt märkliga upptäckten var dock att denna symmetri, denna avsaknad av regler (det finns inga; "Om här, flytta dit!") leder till ett universum där per definition(!) våra kända naturlagar - där lagen att energi varken kan skapas eller förstöras eller lagen att energin är lika med massan multiplicerad med ljushastigheten i vakuum i kvadrat kanske är de mest kända - måste gälla! De är nämligen de självklara symmetrierna hos det perfekta tomrummet. I tomrummet kan inga riktningar urskiljas vare sig i rum eller tid. Likaså kan inga positioner eller avstånd och inga ögonblick eller tidsintervaller urskiljas. Slutligen kan inte vila skiljas från rörelse och inte likformig rörelse från accelererad rörelse.

Dessa självklara förhållanden som måste gälla i ett absolut intet har visat sig gälla på ett bakomliggande plan också för vår vanliga verklighet. De är bara omskrivningar för rörelsemomentets och rotationsmomentets konstans, för energins bevarande och den speciella och allmänna relativitetsteorins principer. Alla upptäckta naturlagar kan härledas till bakomliggande symmetrier och strukturlöshet. Våra naturlagar är inget annat än uttrycket för verklighetens totala avsaknad av design. Total avsaknad av design kan definieras med dem!

Naturlagarna, och deras underliggande symmetrier, är alltså inte en del av verklighetens struktur, de är en manifestation av avsaknaden av struktur så när som på lokala öar i universum, där symmetrierna är brutna. Även om dessa lokala brott är mycket viktiga för oss, eftersom alla naturkrafter (till skillnad från naturlagar), all struktur och allt levande är ett resultat av symmetribrott (och den därpå byggande evolutionen), så är alla symmetribrott spontana i den meningen att de inte föredrar någon speciell "riktning".