Våra fysiska lagar har sprungit ifrån tiden

Det räckte dock för att registrera en förskjutning i det laserljus som riktas mot speglarna och som kastas tillbaka till detektorerna. För fysikerna räckte det för att veta att den dagen, den 14 september 2015, skulle gå till historien.

Vibrationerna var precis vad fysikerna hade förväntat sig skulle bli resultatet av att två svarta hål långt bort i universum en dag slukade varandra.

Hundra år tidigare, år 1915, hade Albert Einstein i sin allmänna relativitetsteori förutsagt att en sådan händelse skulle få gravitationsvågor att rulla genom rymden. Det var just dessa vågor som uppmättes av Ligodetektorerna.

När nyheten om mätningarna kom var det ännu en triumf för relativitetsteorin, och fysiker världen över jublade.

Det gjorde även professor Richard Muller, som då befann sig på University of California i USA, där han hade fullt upp med att skriva en bok om en ny teori som han utvecklat om det som han kallar ”tidens fysik”.

Muller var dock begeistrad av en annan anledning än de flesta andra fysiker. Trots att han, liksom sina kollegor, har stor respekt för relativitetsteorin har han ett problem med den.

Muller ogillar en viss konsekvens av teorin, nämligen att den utesluter möjligheten till ett ”objektivt nu” i universum, eftersom det skulle innebära att det inte heller finns någon gräns mellan det förflutna och framtiden. Det strider mot det sätt på vilket vi normalt uppfattar världen.

Med sin teori om tidens fysik försöker Muller åter­införa det objektiva nuet. Beviset för att han har rätt kommer vi kanske att få just genom att studera gravitationsvågorna. Därför kunde Muller knappt vänta på att få lägga vantarna på Ligoforskarnas data.

Muller är bara en av flera fysiker som arbetar med att ge oss en ny förståelse av tiden. Den stora frågan är: Är tidens gång en objektiv storhet eller är den bara vårt sätt att uppfatta verkligheten?

All vår erfarenhet säger oss att det inte kan hända i verkligheten, medan motsatsen – att en kopp tappas, faller i golvet och går sönder – är någonting helt naturligt.

I vår dagliga upplevelse av tiden är den en storhet som enbart kan röra sig framåt. Tiden som har gått är historia, och den kan vi inte påverka. Det som har hänt har hänt. Koppen har gått sönder och vi kan inte göra mer än att be om ursäkt och försöka limma ihop bitarna.

Framtiden är dock full av möjligheter. Vi kan påverka vad som ska hända eftersom framtiden ännu inte har existerat. Därmed har vi också en fri vilja eftersom händelserna i den tid som kommer inte är förutbestämda.

Därför är det stor skillnad på det förflutna och framtiden, och gränsen mellan dem är det vi kallar ”nuet”.

Att tiden på så sätt har en riktning förklarades i vetenskaplig mening först på 1800-talet. Innan dess fanns det inga fysiska lagar som hindrade att tiden kunde ha en annan riktning och exempelvis gå baklänges.

Dessa lagar fick vi i och med utforskningen av det ämnesområde inom fysiken som vi kallar termodynamik. Bakgrunden var praktisk. Världen befann sig mitt i industrialiseringen och ingenjörer konkurrerade om att bygga den mest effektiva ångmaskinen. Det gällde att omsätta så mycket energi som möjligt av kolet som skyfflades in i ugnen till maskinens pistonger och hjul.

Energi förekommer i olika former, bland annat rörelse, ljus och värme, och vi kan omvandla en typ av energi till en annan.

Rörelseenergi kan helt omvandlas till värme. Det sker exempelvis när vi sitter i en bil och bromsar och får den att stanna. Tyvärr kunde ingenjörerna inte göra tvärtom, det vill säga omvandla all värme i ugnarna till rörelseenergi.

Förklaringen är att värme skiljer sig från övriga energiformer. I värmeenergi är atomernas rörelser så slumpmässiga och kaotiska de kan bli. Värme är med andra ord ett uttryck för den allra högsta graden av oordning. Vi kan bara omvandla en del av värmeenergin till andra energiformer.

Slumpmässigheten i atomernas rörelser kallas för ”entropi”. På 1850-talet blev det uppenbart för fysikerna att entropin i ett slutet system som inte påverkas utifrån med tiden växer spontant. Eller uttryckt på ett annat sätt: Tiden är en utveckling från ordning mot oordning.

Om vi tar ut en kaffekopp ur skåpet och i stället för att tappa den fyller den med kaffe och häller i en skvätt grädde ser vi entropin växa. Det varma svarta kaffet och den kalla vita grädden blandas ihop och blir till en ljummen, ljusbrun vätska. Ordning har blivit oordning.

Med lagen om entropins tillväxt fick vi en fysisk förklaring av tidens natur som väl överensstämmer med vår upplevelse av den. Den ligger i linje med den klassiska föreställningen om tid som en axel längs vilken vi kan placera och ordna händelser, som vi exempelvis gör när vi ritar en tidslinje.

”Tid är naturens sätt att undvika att allt händer på samma gång”, som ett berömt citat av den amerikanske fysikern John Wheeler lyder.

Det är naturligtvis sagt med glimten i ögat, för meningen är ju rätt orimlig om man tänker efter. Orden ”på samma gång” betyder ju samma sak som ”samtidigt”, vilket förutsätter en viss uppfattning av tidsbegreppet. Meningen använder tidsbegreppet för att definiera tidsbegreppet och saknar på så sätt innebörd.

Wheeler har för övrigt berättat att han har snott formuleringen från klotter på en vägg, men den är ett fyndigt exempel på hur svårt vi har att hantera begreppet tid med de begränsningar som språket faktiskt har.

Föreställningen om att tid är en utveckling från ordning till oordning förutsätter att tiden har en början. Det måste ju ha funnits en utgångspunkt då det rådde en hög grad av ordning. Detta krav uppfylls av den modell om universums födelse och utveckling till vilken de flesta kosmologer i dag ansluter sig.

Teorin om stora smällen ger universum och tiden en början där allt var samlat i en punkt, vilket representerar den högsta graden av ordning. Därefter har universum under loppet av 13,8 miljarder år växt till sin nuvarande storlek, och alltmer av den ursprungliga energin har omvandlats till värme.

Om universum alltid hade existerat och tidens historia därmed var oändligt lång hade all energi för länge sedan övergått till värme. Då hade vi inte längre haft några nebulosor, galaxer, stjärnor eller planeter. All massa i universum hade slukats av svarta hål och omvandlats till först strålning och sedan värme.

Det har som bekant fortfarande inte inträffat, men det kan mycket väl vara så det hela slutar i en avlägsen framtid.

Att massa kan omvandlas till energi framgår av Einsteins kända ekvation E = mc2, där E är energi, m är massa och c är ljusets hastighet. Denna ekvation formulerade han år 1905 under sitt arbete med den speciella relativitetsteorin, som gav oss en ny förståelse av tiden – och som samtidigt öppnade för några av de mer besynnerliga fenomen som vi har så svårt att förlika oss med.

Det enda som krävs är att Alice ger sig av på en rymdfärd till Alfa Centauri, den närmaste stjärnan utanför vårt solsystem och återvänder hem – och att hennes rymdskepp under den åtta ljusår långa resan når upp i 80 procent av ljusets hastighet.

Enligt Einsteins speciella relativitetsteori från år 1905 förändras tiden när vi befinner oss i rörelse. Den går långsammare, vilket gör att Alice åldras långsammare än tvillingbrodern som stannar kvar på jorden.

Dessutom säger Einsteins allmänna relativitetsteori från år 1915 oss att även gravitationen får tiden att gå långsammare. Gravitation fungerar på samma sätt som acceleration.

Vi upplever känslan när vi åker uppåt i en hiss. I början, då hissen accelererar, känns det som om vi utsätts för starkare gravitation.

I rymdraketen accelererar Alice så kraftigt att effekten är betydligt större än den gravitation som Bob upplever på jorden.

Det är alltså två effekter i spel för Alice, och båda får tiden att gå långsammare. Därför tar Alices resa bara sex år sett ur hennes perspektiv medan Bob upplever att hon är borta i tio år. Man kan även säga att Alice har rest fyra år in i framtiden när hon landar på jorden.

Detta är så klart ett teoretiskt exempel, för det ligger långt bortom vår förmåga att färdas i så hög hastighet, men de relativistiska tidseffekterna påverkar oss även i vår vardag.

Gps-systemet, som visar var på jordytan vi befinner oss, är baserat på exakta tidssignaler från satelliter i omloppsbana runt jorden. Satelliternas atomur utsätts för båda tidseffekterna.

Dels är de i rörelse i förhållande till oss, vilket får dem att gå långsammare än våra klockor på jorden – närmare bestämt sju mikrosekunder långsammare per dygn. Dels befinner de sig längre bort från jordens masscentrum än vi här på jorden och därmed påverkas de i mindre grad av gravitationen.

Denna effekt drar i motsatt riktning och får tiden att gå fortare, vilket innebär att satelliternas klockor vinner 45 mikrosekunder per dygn jämfört med klockor på jorden.

Sammantaget gör de båda effekterna att klockorna behöver korrigeras för 38 mikrosekunders försening per dygn. Om man inte hade gjort det skulle gps-systemet visa fel plats, en felangivelse som skulle öka med drygt tio kilometer per dygn.

Relativitetsteorin gör tiden till en flexibel storhet som förändras beroende på var vi befinner oss och hur vi rör oss. Den djupare orsaken till det är att ljusets hastighet i vakuum alltid är 299 792 458
meter per sekund. Det är samtidigt den maximala hastighet i vilken något i vårt universum kan röra sig.

Om vi föreställer oss att Alice tar med sig en särskild klocka i sin rymdraket där en ljuspartikel (det vill säga en foton) skickas upp och ner mellan två speglar, kan vi se konsekvensen för tiden.

Innan Alice startar raketen måste fotonen tillryggalägga avståndet mellan de två speglarna, som vi kan säga är exempelvis en meter. Men så snart raketen befinner sig i rörelse förändras avståndet.

När vi betraktar
raketen och klockan utifrån ser vi att fotonen är tvungen att tillryggalägga en längre sträcka eftersom speglarna flyttar sig med raketen. I stället för att röra sig en meter måste fotonen kanske tillryggalägga två.

När vi nu vet att ljusets hastighet, c = 299 792 458 meter per sekund, är konstant och avståndet i meter fördubblas måste även sekunden förändras. Den behöver bli dubbelt så lång för att ekvationen fortfarande ska stämma.

Ju snabbare Alice färdas, desto längre är sträckan som fotonen tillryggalägger och desto mer sträcks tiden ut.

Rumtiden är inte oföränderlig, utan kan böjas och krökas beroende på hur objekt med massa rör sig i den.

I vår vardag upplever vi emellertid att tidsaxeln skiljer sig från de tre rumsliga axlarna. Vi har ganska lätt för att röra oss inom ramen för de rumsliga axlarna, vilket vi ju gör när vi går till bageriet eller åker hiss, men det är betydligt svårare för oss att flytta oss fram och tillbaka längs tidsaxeln. Vi upplever att vi är fastlåsta i nuet.

Relativitetsteorin gör det möjligt för oss att resa till framtiden, som Alice gjorde under sin rymdfärd. Det krävs att vi antingen förflyttar oss i extremt hög has­tighet eller vistas i ett starkt gravitationsfält, exempelvis vid ett svart hål, och sedan återvänder till utgångspunkt­en.

Men hur är det med tidsresor till det förflutna? Även där öppnar Einsteins teorier för spännande möjligheter. I teorin kan rumtiden krökas så mycket att två områden som tidigare låg väldigt långt från varandra kan förenas av en liten bro, ett så kallat maskhål.

Om maskhålen existerar är de inte bara en genväg mellan två platser utan också mellan två tidsperioder. På så sätt skulle det vara möjligt att resa tillbaka i tiden.

I praktiken skulle det dock vara väldigt svårt, eftersom maskhålen lär vara extremt instabila. Det skulle krävas stora mängder av en ännu okänd materia med negativ energi för att hålla dem öppna. Om vi trots allt skulle lyckas med det hade det medfört alla möjliga typer av paradoxer.

Vad skulle hända om man reste tillbaka i tiden och dödade sina farföräldrar innan de fick ens föräldrar? Då hade man ju inte existerat och då hade man inte kunnat resa tillbaka i tiden och utföra missgärningen. På så sätt blir det väldigt rörigt i sambanden mellan orsak och verkan. Resor tillbaka i tiden är följaktligen oförenliga med vår vanliga tidsuppfattning.

I gengäld var han helt uppfylld av de övriga konsekvenser som relativitetsteorin har för vår tidsuppfattning. Det framgår bland annat av ett av Einsteins sista brev, ett kondoleansbrev som han skrev med anledning av den nära vännen Michele Bessos död. Så här skrev Einstein till sin väns familj:

”Nu har Michele lämnat denna märkliga värld strax före mig. Det betyder ingenting. För oss som tror på fysiken är åtskillnaden mellan det förflutna, nuet och framtiden bara en illusion, om än en seglivad sådan.”

Einstein och Michele Besso lärde känna varandra under studieåren i Zürich, och de förblev förtroliga livet igenom. I Einsteins brev till Besso anförtrodde han vännen sina djupaste tankar om allt från vetenskapliga teorier och världspolitiska problem till personliga bekymmer.

Förutsägelsen om sin egen snara död, som framgår av brevet till Bessos efterlämnade, visade sig stämma. Einstein dog fyra veckor senare, den 18 april 1955.

Trots att Einstein tröstade Bessos familj med att det förflutna, nuet och framtiden bara är en illusion var det inte oproblematiskt för honom själv. Egentligen ogillade han själv det faktum att den speciella relativitetsteorin strider mot det sätt på vilket vi uppfattar tidens gång.

Det faktum att Einsteins teori avlivar föreställningen om ett ”objektivt nu” hänger ihop med att begreppet ”samtidighet” förlorar sin innebörd över stora avstånd.

Över små avstånd, som vi upplever i vår vardag, är dock samtidigheten avgörande för vår tidsuppfattning. Om du exempelvis sitter i en länstol där hemma och läser den här meningen kan du uppleva att din son i samma ögonblick som du kommer till det första kommatecknet tappar en kaffekopp ute i köket och att grannens tvillingar Alice och Bob kramar om varandra precis utanför ditt fönster efter att länge varit skilda åt.

Samtliga tre händelser inträffar i samma ”nu” och vi kan dra en linje vinkelrätt på tidsaxeln och placera alla tre händelser på ”nulinjen”.

Vi kan även föreställa oss att en rymdvarelse i en avlägsen galax miljardtals ljusår bort i samma ögonblick sitter och läser en bok. Det inträffar på samma nulinje och gör samtidigheten fullt rimlig.

Problemet uppstår om rymdvarelsen lägger ifrån sig boken och i stället sätter sig på en cykel och börjar röra sig i riktning mot dig. Eftersom tiden förändras för föremål i rörelse kommer rymdvarelsens nulinje att få en något annorlunda vinkel än tidigare.

Hans rörelse på cykeln är inte snabb så vinkeln förändras bara lite grann, men eftersom avståndet mellan er är så stort får förändring­en ändå stor betydelse. Hans nulinje kommer att korsa din tidsaxel någon annanstans, så att hans ”nu” enligt Einsteins ekvationer kommer att inträffa samtidigt som händelser som i din värld ligger flera hundra år tillbaka i tiden.

Om rymdvarelsen väljer att vända om och cykla bort från dig sker det motsatta. Hans ”nu” är då samtidigt med händelser som ännu inte har inträffat i din värld och tillhör därmed en avlägsen framtid.

Konsekvensen är att det inte går att tala om samtidighet över stora avstånd, eftersom tiden skiftar beroende på i vilken riktning man rör sig och hur snabbt. Och eftersom alla galaxer, stjärnor och planeter befinner sig i rörelse i alla möjliga riktningar finns det inte något universellt och objektivt ”nu” – och därmed inte heller någon skillnad mellan det förflutna och framtiden.

Einsteins motvilja mot denna konsekvens av hans egen teori kan jämföras med hans motvilja mot några lika märkliga fenomen i andra änden av skalan, i kvantmekanikens värld.

De kan exempelvis befinna sig i två tillstånd samtidigt och ha en rotation, en spinn, som antingen går åt vänster eller åt höger. Först i det ögonblick då vi mäter dem ”väljer” de det ena tillståndet, till synes slumpmässigt.

Einstein förnekade att det kunde förhålla sig så med orden ”Gud kastar inte tärning”, men många försök har senare bekräftat upptäckten.

Partiklar befinner sig i ett ”dubbeltillstånd” tills en mätning tvingar dem att välja. Och inte nog med det – två partiklar kan dessutom vara ”hopflätade” så att den ena partikelns tillstånd påverkar den andra partikelns. Om fysikerna mäter den ena partikeln och dess spinn är högerriktad ”väljer” den andra omedelbart en vänsterriktad spinn.

Partiklarna är följaktligen koordinerade. Det mystiska är att de förblir koordinerade även när de befinner sig långt från varandra – och koordinationen är ögonblicklig. Hur kan det komma sig när ingenting, inte heller överföring av information, kan gå snabbare än ljusets hastighet – universums absoluta fartgräns?

Fysikerna har inte kommit fram till något svar, utan tvingas bara medge att reglerna i relativitetsteorin som styr universum över stora avstånd inte gäller i kvantmekanikens mikroskopiska värld.

Nyligen har fysiker från USA och Kanada föreslagit att de hopflätade partiklarna kanske samordnar sina tillstånd genom att resa tillbaka i tiden till en tid då de stod i kontakt med varandra för att därefter utväxla information och återvända till nuet.

Denna teori medför i grunden samma problem med orsak och verkan som paradoxen med att döda sina egna farföräldrar. Trots det hävdar fysikerna bakom teorin att den fungerar om rumtiden uppfattas som ett så kallat blockuniversum.

Blockuniversumet är en föreställning om att universum kan betraktas som ett block som innehåller alla händelser i universums livstid. Då är tiden en dimension på exakt samma sätt som de tre rumsliga dimensionerna.

Vi kan föreställa oss ett stort isblock i vilket alla föremål och händelser i alla tider ligger infrysta. Detta gäller således både händelser som vi i vår vardag betraktar som historiska och dem vi kallar framtida händelser.

Liksom materian i blockuniversumet kan existera på olika platser längs rumsliga axlar kan den göra det längs tidsaxeln. Det finns ingenting i vare sig relativitetsteorin eller kvantmekaniken som förhindrar det. Tiden i blockuniversumet har inte någon viss riktning. Det förflutna och framtiden är likvärdiga. Objektivt sett är det ingen skillnad mellan dem.

När vi upplever att det finns en gräns, det vill säga ett ”nu”, är det bara en illusion som uppstår för att vi befinner oss på en viss plats i rumtiden. Framtiden har med andra ord redan inträffat.

Blockuniversumet är inte särskilt lockande om man tilltalas av tanken att vi har en egen fri vilja. Allt är ju förutbestämt om man anser att det inte finns något ”nu” i tidsmässig mening.

Det var ett problem för Einstein och det är också ett problem för Richard Muller, som hoppades att de två svarta hålen som smälte samman år 2015 skulle hjälpa honom i sin strävan att återuppliva det objektiva nuet.

”Rummet och tiden är så tätt förbundna i den all­männa relativitetsteorin att om man skapar mer rum så skapar man även mer tid”, som han själv uttrycker det. Muller hänvisar till att universum ständigt utvidgas och att den utvidgning som detta skapar i tiden utgör vårt objektiva nu.

Enligt Mullers teori finns det förflutna alltså i den existerande rumtiden, medan nuet skapas fortlöpande till följd av rumtidens utvidgning och framtiden ännu inte existerar. Därmed ger teorin oss en fri vilja eftersom framtida händelser bestäms av de beslut som vi fattar i den ändlösa raden av ”nu” som ständigt adderar nya skivor av rumtid till historien.

Enligt Muller rör vi oss alltså inte in i en redan existerande framtid, eftersom framtiden består av en lång rad av ”nu” som ännu inte har skapats.

När två svarta hål med 29 och 36 gånger solens massa smälte samman gav det Muller ett tillfälle att testa sin teori.

Den kosmologiska händelsen, som var i absolut tungviktsklass, varade bara i några hundradelar av en sekund och resultatet var ett svart hål på 62 solmassor, en kolossal mängd strålning och sensationella gravitationsvågor som rullade genom rymden och uppmättes av Ligodetektorerna den 14 september 2015.

Tillsammans med en grupp kollegor kastade sig Muller över Ligofysikernas detaljerade data och räknade ut att gravitationsvågorna måste ha skapat en flera miljoner kubikkilometer stor lokal utvidgning av rymden, vilket enligt hans teori motsvarar att det samtidigt skapades ytterligare 0,0012 sekunder.

Vi kan föreställa oss utvidgningen i rumtiden som det som händer när vi kastar en sten i en sjö. Stenen skapar ringar i vattnet i form av vågor, som ökar ytans areal.

Muller räknade med att utvidgningen i rumtiden skulle skapa en tidsfördröjning i den sista gravitationsvågen i förhållande till den rytm som uppmättes hos de första vågorna. Dessvärre visade det sig att Ligodetektorernas mätningar var för osäkra för att man skulle kunna avgöra om Muller hade rätt.

Han vidhåller dock att metoden är sannolik och hoppas att Ligodetektorerna under de närmaste åren kommer att upptäcka gravitationsvågor från hopsmältningar av ännu större svarta hål.

Om man lyckas bekräfta Mullers teori kommer han att ha återinfört det universella och objektiva nuet och samtidigt ha visat att vår upplevelse av tidens gång inte bara är en illusion, utan fysisk verklighet.

Den berömde brittiske fysikern och kosmologen Roger Penrose bekänner sig till principerna i lagen om entropins tillväxt, men han ser ett problem med stora smällen-modellen.

I bakgrundsstrålningen, som avslöjar fördelningen av materia och energi strax efter stora smällen, råder en förvånansvärt hög grad av entropi. Det är enligt Penrose en av den moderna kosmologins största gåtor, eftersom det strider mot tanken att universum har gått från ett tillstånd med extrem ordning till alltmer oordning.

Nu tror han att förklaringen kan vara att partiklarna i universum på den tiden var så extremt varma att deras massa inte spelade någon större roll i förhållande till den totala energin. Och om vi tar bort massan ur de fysiska ekvationerna blir det inte heller längre meningsfullt att tala om tid, eftersom tiden så att säga inte har något att påverka.

Och när det inte finns någon massa finns det inte heller något att mäta tiden med.

”Det tidiga universum kunde inte klockan”, som Penrose uttrycker det.

Han menar att denna ”tidlösa” epok på många sätt liknar vår föreställning om hur universum kommer att se ut i en avlägsen framtid då all massa har slukats av svarta hål som därefter förångats så att det bara återstår strålning. Då kommer universum återigen att sakna tidsdimension, och utan tid och massa förlorar även begreppet storlek sin innebörd.

Universum kommer med andra ord varken att ha klockor eller måttstockar. Penrose argumenterar därmed för att ”ett stort gammalt universum” är samma sak som ”ett nytt ungt universum” och att universum kommer att nollställa tiden och återfödas i en ny stor smäll.

Om han har rätt är vårt uni­versum kanske bara ett i raden av oändligt många i en pärlrad. Denna teori ger tiden både en början och ett slut. Penrose tror rentav att den kan bekräftas genom att vi studerar bakgrundsstrålningen mer ingående än vad vi hittills har kunnat göra.

Liksom Muller sätter Penrose sin tro till hopsmältande svarta hål. Tanken är att vi ska leta efter spår från föregångaren till vårt nuvarande universum.

Mot slutet av sitt liv har det universumet innehållit enorma svarta hål som smält samman och gett upphov till gravitationsvågor som rullat fram genom rymden.

Vågorna har skapat mönster som kan liknas vid dem vi ser när
regndroppar faller och skapar ringar på en sjö. Även när regnet har slutat ser vi krusningar på ytan. På samma sätt finns det mönster efter gravitationsvågorna långt efter det att de svarta hålen har förångats. Om vi
kan hitta sådana mönster i bakgrundsstrålningen lär Penrose bli mannen som återger tiden sin riktning.

Samtidigt kommer han att bli den förste som kan ge ett meningsfullt svar på den hittills meningslösa frågan: ”Vad hände före stora smällen?”