KOSMOLOGIER

 

Standardkosmologin är mycket välbelagd med empiriska mätningar. När jag skriver detta våren 2001 har det amerikanska fysikersällskapet just haft ett möte i Washington där fyra olika forskargrupper rapporterat om sina oberoende mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Alla resultat pekar mot att teorin om den inflationistiska utvecklingen av universum bråkdelen av en sekund efter Big Bang är riktig. Det betyder att hela universums historia från en trilliontedels trilliontedels trilliontedels sekund (e n trilliontedel = 1/1000000000000) efter Big Bang är beskrivet med en vetenskaplig teori som knappast kommer att förändras mycket i sina huvuddrag i framtiden.

Men som påpekats tidigt i framställningen. Fysiker är inte nöjda förrän de kan förklara allt. Sträng/M-teorin har kapacitet, till skillnad från standardmodellen, att driva förklaringarna ända in i den återstående trilliontedelen av en  trilliontedel av en trilliontedel av en sekund efter Big Bang, ja t o m ta oss till eran före Big Bang (stackars påvedöme).

 

Planckbollens cirklar

 

Standardmodellen bryter samman vid gränsen för Big Bang därför att universum då skulle försvinna i en punkt med oändlig täthet och oändlig temperatur. Detta öde drabbar emellertid icke sträng/M-teorin. Som vi sett i avsnittet om dualiteten mellan det stora och det lilla är det inte möjligt att trycka ihop strängarna (eller membranen) till en mindre storlek än en Planckboll (Plancklängden är en  miljontedel av en miljarddel av en miljarddel av en miljarddel av en centimeter!). Temperaturen stiger då till sitt maximala värde Plancktemperaturen (=1,4 gånger 10 upphöjt i 32 grader kelvin) vid vilken solens inre skulle verka vara rena absoluta nollpunkten i jämförelse. Temperaturen är maximal eftersom alla dimensioner värme skulle kunna mätas i "smälter" vid överskridande av denna temperatur.

Strängteorins variant av Big Bang ser därför ut så här. Vid Big Bang var alla dimensionerna hopknökta till en Planckbolls storlek med hög men ändlig täthet och temperatur. Symmetrin mellan alla dimensioner är total. Själva Big Bang är i själva verket det första stora spontana symmetribrottet, där tre rumsliga dimensioner expanderar medan de övriga förblir tätt, tätt ihoprullade. Dessa tre dimensioner börjar efter en trilljontedels trilljontedels trilljontedels sekund expandera inflationistiskt och standardmodellen tar vid. Man kan då fråga sig varför just tre dimensioner bryter sig ur symmetrin och vad som driver deras vidare expansion.

Det hänger samman med en knepighet i strängteorin som låter strängar vira sig runt små cirkulära dimensioner likt gummisnoddar kring en cykelslang. Alla dimensionerna är som små cykelslangar vars inre tryck hålls i schack av att de alla är omvirade av supersträngar. Men som vi vet motsvaras strängarna av partiklarna i standardmodellen och den supersymmetriska standardmodellen, och alla partiklar har antipartiklar. Antipartiklarna har motsvarigheter i strängvärlden, antisträngar. Dessa antisträngar är virade runt dimensionerna i motsatt riktning. Nu är strängarna inte bara virade runt dimensionerna med en viss kraft och riktning, de rör sig utefter "cykelslangarna" också, och kan alltså stöta på varandra. Det som händer då är att de virar upp sig till en sträng som inte går runt sin dimension. Om tillräckligt många råkar vira upp sig på detta sätt från en dimension förmås inte längre dimensionen hållas i tukt och förmaning utan blåses upp till oanad radie.

Det visar sig nu att sannolikheten för att sträng-antisträng paren ska mötas och vira upp sig är som störst i tre (eller färre) rumsdimensioner och en tidsdimension. Ju fler antal dimensioner ju mindre sannolikt blir det. Den höga temperaturen gör att alla dimensioner strävar efter att expandera medan de omvirade strängarna trycker tillbaka dem till sin minsta storlek. När tre dimensioner samtidigt lyckats "blåsa upp sig en aning" kan det då hända att sträng-antisträng kollisioner gör att det blir färre strängar kvar som trycker tillbaka dem. De kan då fortsätta sin expansion ytterligare, vilket gör det svårare för strängar att ånyo omvira sig runt desamma. De strängar som är kvar möts ånyo i sträng-antisträng kollisioner, ännu fler strängar virar upp sig, och de tre dimensionerna som lyckades blåsa upp sig en aning samtidigt till en början kan fortsätta att växa, medan de övriga visserligen försöker vrida sig ur greppet med konvulsioner i Calabi-Yauformen, men dessa avtar alltmer när de tre dimensionerna blir allt större och universum svalnar.

 

 

Före Big Bang

 

Inte nog med att supersträng/M-teorin har bra förklaringar på vad själva Big Bang kan ha varit och att universums geometri kan ha en utvecklingshistoria, den kan också ge scenarier för eran före Big Bang. Dessa skiljer sig åt på flera olika sätt, men gemensamt tycks vara att eran kan ha dominerats av en oändlighet och kyla.

Ett sätt att tänka sig det hela är som en platt yta , som, trots att den är oändlig, börjar utvidga sig rasande snabbt. Ungefär som man halkar på en matta så rullar då ytan ihop sig. Resultatet blir en millimeterstor boll som motsvarar universum som det ser ut efter den inflationistiska eran i standardmodellen. Men hur skulle någonting över huvud taget kunna hända i ett kallt statiskt universum?

M-teorins "upptäckare", Edward Witten från Princeton i USA, har också varit med att utarbeta något som kallas heterotiska M-teorin. Som nämnts tidigare kunde M-teorins elfte dimension ses som att supersträngarna fick tjocklek. Ett väldigt hårt hoprullat membran i en cirkel ser ju ut som en sträng. Denna typ av sträng kan matematiskt lika väl (ekvivalent) beskrivas som heterotiska "strängar". Istället för ett tunt hoprullat membran i elfte dimensionen som vibrerar i de övriga dimensionerna blir den heterotiska analogin två multidimensionella "väggar" ett tuppfjät från varandra i den elfte dimensionen. Membran kan nu "skalas" av från "väggarna" och röra sig i denna elfte dimension över till den andra "väggen". Anta nu att den platta, kalla ytan som nämnts ovan är en av dessa väggar – "vår" vägg. Ett avskalat "flak" från den andra väggen kolliderar med "vår" vägg. Den överföring som nu sätter igång utvecklingen i "vår" vägg kallas instanton i en slags analogi till soliton. Solitoner är ju solitära vågor utan utbredning "sidlänges" i rummet. Jag tror Paul Davies en gång sa att man kunde tänka på instantoner som solitoner, fast tvärtom – utan utsträckning i tiden.

 

Den tionde dimensionen

 

Supersträng/M-teorin har i ett kvartsekel givit oss det största hoppet att förstå allting på ett djupare sätt än någonsin tidigare. De extra dimensionerna gör att man kunnat göra beräkningar som ger nya kosmologiska strukturer.

Enligt en av de senaste supersträngkosmologierna[1] är den tionde dimensionen (den "fjärde" rumsdimensionen) trots allt inte ihopkrympt, utan är av ofantliga mått (sannolikt oändlig) och bildar tillsammans med våra tre vanliga dimensioner ett fyrdimensionellt rum som härbärgerar allt (de övriga dimensionerna förblir hopkrökta).

En sfär är tredimensionell men dess yta är som vi sett tvådimensionell. Det är därför vi kan lokalisera varje punkt på jordens yta med bara två tal - longituder och latituder. Den nya kosmologin tänker sig att det vi upplever som vår värld bara är en tredimensionell "yta" (geometri) av en fyrdimensionell "sfär". 

Inte nog med det. Vår värld är bara en av många sådana fyrdimensionella sfärer som rör sig i det fyrdimensionella rummet. På ytan av dessa sfärer kan finnas andra världar! Det enda sätt vi kan känna av dessa andra sfärer är genom gravitationen från materien som är bunden till ytan på dessa andra världar.

Man kan koppla detta till vetskapen om att ca 95% av all gravitation härör från vad som hittills kallats mörk materia, eftersom vi bara märker av den genom gravitation. Den nya kosmologin ger alltså svaret på vad denna mörka materia är. Det är materien i andra världar!

Eftersom gravitationen är en attraherande kraft så skulle stora materiesamlingar i vår värld motsvaras av stora materiesamlingar i närliggande andra världar och sålunda skapa parallella galaxhopar i parallella universa i ett gigantiskt megaversum.

Orsaken till att vi bara kan känna av de andra världarna genom gravitationen är att partiklarna som bär den - gravitoner - är små slutna strängar som inte sitter fast med någon ände på ytan av de fyrdimensionella sfärerna, vilket strängarna som genererar alla andra partiklar och krafter gör.

Ljus kan sålunda inte lämna ytan och röra sig i den fjärde dimensionen. Gravitonerna kan däremot flyta ut i hyperrymden. När de gör en sådan resa blir de också mycket tyngre. Och även om fysiker inte kan spåra gravitoner i en högre dimension skulle de indirekt kunna upptäcka de energiförluster vid partikelkollisioner som skulle vara klart mätbara till följd av att tunga gravitoner försvann ut i hyperrymden.

Det är inte så många gravitoner som flyter iväg därför att den sfär vars yta vi bebor kröker den omgivande rymden så att de flesta gravitoner faller tillbaka in mot ytan. Lustigt nog förklarar samma fenomen varför gravitationen är en så svag kraft. Den fyrdimensionella hyperrymden som vi och andra sfärer flyter omkring i är extraordinärt mycket krökt kring en "modersfär" som därmed håller fast de flesta gravitonerna som finns i hela megaversum. Detta lämnar bara ett fåtal gravitoner som kan bära den gravitationella kraften till mer perifera sfärer som vår egen.

Den förklarar också de mystiska konstanter som  Standardmodellen är fylld av. De olika världarna speglar på sina tredimensionlla ytor de generella lagarna i den fyrdimensionella världen - alla utifrån sitt perspektiv och med sina lokala konstanter.

Men liksom man väl kan återge tre dimensioner i tvådimensionella teckningar om man bara känner till lagarna för perspektivteckning så skulle våra tredimensionella perspektivlagar väl kunna användas för att utforska de generella lagarna i det fyrdimensionella megaversumet.