Livet i fysikernas värld

När fysiker under sent 1900-tal beskriver den materiella världen, är tre begrepp centrala: symmetri, entropi och kontingens. De begreppen återspeglar också en idéutveckling inom fysiken som pågått i mer än tre sekel.
       Under 1700- och 1800-talen genomfördes en matematisk vidareutveckling av Newtons formler och man upptäckte en rad användbara symmetrier. Genom dem blir den materiella världen gripbar för det mänskliga förnuftet. Den visar sig ha en enkel struktur, som människan kan avbilda i enkla matematiska formler och där har symmetri en nyckelroll.
        Vid mitten av 1800-talet definierar forskare entropibegreppet. Medan symmetri representerar det oföränderliga, det alltid likaförblivande, så betecknar entropi det förgängliga, det som ständigt förbrukas men inte kan förnyas. Länge var det oklart hur symmetri och entropi, det oföränderliga och det förgängliga skall kunna samsas till en helhetsbild av den materiella världen och frågan är ännu inte helt utredd.
        För de skeenden där symmetri- och entropibegreppen är tillämpliga, gäller en sträng lagbundenhet. När startvillkoren är givna är också det fortsatta förloppet givet. Under första hälften av 1900-talet upptäcker forskare emellertid att de lagar som beskriver materien på dess mest elementära nivå innehåller moment av slump, kontingens. Även när startvillkoren är exakt definierade är fortsättningen inte given. Framtida händelser är inte förutsägbara med hjälp av formler tillgängliga för mänskligt förnuft. 
        Den bild av universum som har växt fram under 1900-talet skiljer sig självklart från de föreställningar man gjorde sig hundra år tidigare. Ny teknik har gett helt nya data. Viktigare är emellertid att den stora visionen från Upplysningstiden om gränslöst mänskligt framåtskridande, den visionen har blivit ihålig. Entropi och kontingens, förgänglighet och slump är fysiska realiteter, som mänskligt förnuftt inte förmår bemästra. För att förstå livets plats i materiens värld, är det nödvändigt att ha en någorlunda klar bild av vad de tre begreppen står för och hur de, kombinerade med varandra, ger förutsättningar för livets uppkomst och fortsatta utveckling. Och det kan vara lämpligt att börja med symmetri, som ju står närmast tron på förnuftets och matematikens räckvidd.

Symmetri

När matematiker systematiserade den klassiska mekaniken, upptäckte de att den var byggd kring symmetriska relationer. En sådan relation uttrycks t.ex. i begreppet rörelsemängd. En kropps rörelsemängd är definierad som dess hastighet multiplicerad med dess massa.  Att detta är en symmetrisk relation betyder att när två eller flera kroppar kolliderar, byter de rörelsemängd med varandra i ett byte som alltid sker lika mot lika. Kropparnas sammanlagda rörelsemängd är därför densamma före och efter varje kollision.
        Förutom rörelsemängd upptäckte man ett antal andra symmetrier, varav den mest användbara visade sig vara energi. Energi kan finnas i många former, men vad som än händer, vilka märkliga strukturer som än uppstår och försvinner i materiens värld så gäller att energi alltid byts lika mot lika. Samma mängd som försvinner i en form dyker alltid upp i en annan.
När man under 1900-talet får tekniska möjligheter att undersöka materiens finare strukturer hittar man också där spår av samma symmetriska matematik, som inom den klassiska mekaniken: vad som än händer, vilka förvandlingar som än sker, så finns det alltid något som inte förändras. Som inte tycks kunna förändras. Bland alla de symmetrier man här upptäcker kan man nämna elektriska laddningar som ett exempel. De uppstår och förintas oupphörligen – men alltid parvis. Om t.ex. en positiv elementarladdning förintas så måste samtidigt en negativ elementarladdning också förintas. Summan av alla förändringar är alltid noll.
        Man kan förstå symmetriska relationer som en sorts nollsummespel, t.ex. poker. När en omgång börjar har deltagarna, låt oss säga, 1000 kronor tillsammans. Och när de slutar spela har de fortfarande 1000 kronor tillsammans, oavsett hur pengarna bytt ägare fram och tillbaka under spelets gång. Reglerna är ju så att vad den ene förlorar, vinner den andre så slutsumman kan inte ändras.
        Symmetribegreppet är lätt att ta till sig. Det bekräftar föreställningen att något är oförgängligt. Materien är förnuftigt ordnad och det mänskliga förnuftet kan återskapa skapelsens matematik. Begreppet entropi däremot bjuder mer motstånd. Det talar om alltings förgänglighet och man sökte länge efter ett sätt att slippa undan dess konsekvenser.

Entropi

På 1700-talet i den begynnande industrialismen hade man börjat utveckla och förbättra ångmaskiner. En sådan maskin fungerar i princip som en energiomvandlare: kemisk energi omvandlas till värme och därefter omvandlas värmeenergi till mekaniskt arbete, som ju också är en form för energi. Nu kan emellertid inte all den energi som finns i värmen bli till arbete, en del värme läcker ut i omgivningen. Hela förloppet kan beskrivas så att energi ständigt flödar från en arbetande maskin till dess omgivning, en del av flödet blir till arbete, en annan del flödar ut som värme. Eller något annorlunda formulerat: temperaturskillnaden mellan maskin och omgivning gör att värme spontant flödar från maskin till omgivning och en del av det flödet kan bli arbete. Men om ingen temperaturskillnad finns, upphör flödet och maskinen upphör att fungera. Om man emellertid vill återanvända det utvunna arbetet för att återställa den ursprungliga temperaturskillnad, som alstrade arbetet, så kommer man garanterat att misslyckas. Det går inte att konstruera evighetsmaskiner även om det finns de som fortfarande försöker. Vid varje energiomvandling går något förlorat. Förloppet är inte helt vändbart. Vilket tycks motsäga föreställningen att energiutbyte är en symmetrisk relation.
        Teoretiska överväganden under 1800-tal visade emellertid att energi inte bara kan bestämmas till mängd; den kan också tillskrivas kvalitet. Den kvaliteten kallas entropi och är ett mått på den form eller struktur, som en viss mängd energi är utspridd på. Ju högre entropi desto mer formlöst, strukturlöst är energin fördelad. Vid energiomvandlingar byts alltid lika mängd mot lika mängd; den relationen är strängt symmetriskt och slutsumman förändras inte. Men vid varje omvandling sker också en ökning av entropin och den ökningen är inte vändbar. Energin blir oundvikligen alltmer strukturlös och utspridd.
        Entropibegreppet beskriver en fundamental asymmetri i den materiella världen: varje enskild händelse får till följd att strukturlösheten i universum ökar. Om ordning uppstår lokalt, sker det alltid till priset av ökad global oordning. Universum går mot ett tillstånd av formlöshet, vilket är detsamma som jämvikt. Men om allt oundvikligen och alltid går mot oordning och om universum alltid har funnits oföränderligt – varifrån kommer då den struktur, den ordning som förbrukas idag? Och varför har den inte tagit slut? Svaren på de frågorna började bli åtkomliga under först hälften av 1900-talet, när man fick tydliga belägg för att rummet expanderar. Expansionen får tolkas så att universum har ändlig historia bakom sig och att vid tidens början, i universums urtillstånd fanns den fulländad struktur, den ordning, som vi ännu kan spåra rester av.
        Lagen om ökande entropi uppfattades under sent 1800-tal som ett svårt bakslag för tron på ett gränslöst framåtskridande. Visserligen satte lagen ingen tydlig gräns, den förutsade bara att med tiden kommer alla strukturer att lösas upp. Ännu mer ovälkomna överraskningar väntade emellertid, när man under första hälften av 1900-talet började kartlägga elementarpartiklarnas mekanik. Det var då som om själva den förnuftiga världsordningen blev ifrågasatt.

Kontingens

Det finns en grundläggande samstämmighet mellan klassisk mekanik och den mekanik som gäller för elementarpartiklar men det finns också oöverkomliga skillnader. Klassisk mekanik är de matematiska formler som beskriver hur kroppar rör sig i ett kontinuum av rum och tid.  Enklast hade varit om man kunnat behandla materiens minsta beståndsdelar enligt samma matematiska regelverk och betrakta dem som en sorts punktformade partiklar, som rör sig likformigt i rum och tid. Det visar sig emellertid att då blir det inte rätt. Materiens minsta enheter är inte partiklar utan händelser, elementarhändelser, som kallas kvanta. En elementarhändelse är t.ex. när en viss mängd energi, ett kvantum, övergår från ett tillstånd till ett annat. Nu finns emellertid ingen teori som förutsäger exakt var och när en övergång skall ske; teorier kan bara ge sannolikheter för det att ena eller andra utfallet skall inträffa.
I klassisk mekanik antar man att rum och tid bildar ett kontinuum. Där finns inga hack, inga brott i övergången från ett ögonblick till nästa, inget tomrum mellan en punkt och en annan. Därför är lagarna i klassisk mekanik determinerande; det som skall ske är i allt bestämt av det som redan har skett. För elementarpartiklar är det emellertid inte så.  Där finns ett före och ett efter och mellan dem ett brott, ett hack. Före brottet stod många möjligheter öppna, efter brottet har bara en av dem blivit verklig och ingen teori kan förklara varför det ena men inte det andra inträffade.
        Och just så kan man förstå begreppet kontingens. Det kan översättas med ”utfallet” eller ”det som blev”; underförstått ”det kunde ha gått annorlunda men det blev så här och det finns ingen ytterligare förklaring till den saken”. Bristen på förklaring beror emellertid inte på att fysikens teorier är bristfälliga, inte på bristande kunskap utan på att förloppet inte är determinerat: händelser inträffar inte förrän de faktiskt inträffar och det finns därför ingen möjlighet att förutsäga vad som skall ske. Om symmetri och kontinuitet står för förnuft och ordning så representerar kontingens dess motsats. Vi ställs här utan förklaring inför råa fakta.
Nu kan vi väl ha fördragsamhet med kontingens och brist på kontinuitet så länge det bara handlar om materiens minsta beståndsdelar. Det är ju inte där vårt liv utspelas. Det finns emellertid skäl anta att kvantvärldens bristande begriplighet blivit uppförstorad till kosmisk skala och bidragit till att forma det universum vi nu lever i.
       Ungefär samtidigt som man började kartlägga kvantmekaniken, gjorde man den observation, som för alltid förändrade vår syn på den materiella världen: universum expanderar. Ju längre bort galaxer befinner sig från varandra, desto snabbare försvinner de bortåt. Rymden, själva tomrummet töjer ut sig och forskare kan i teorin följa förloppet bakåt i tiden och steg för steg matematiskt rekonstruera det tillstånd, som rådde i ett mycket ungt universum. Där, strax efter tidens början, när var allt en högenergetisk kvantsoppa, där blev kontingenta kvanthändelser uppblåsta och fick universella följdverkningar.
        Matematiker idag arbetar med Teorier om Allting. De söker modeller för universums urtillstånd och hoppas komma så nära som möjligt den Singularitet, som rådde vid tiden noll. Man anar att allt som nu finns har sin början i ett tillstånd med fulländad symmetri och absolut ordning. Man hoppas kunna beskriva hur denna ursprungliga ordning föll sönder, hur symmetrier bröts upp så att vårt universum blev just denna motsägelsefulla blandning av symmetri, entropi och kontingens.
        Men kunde inte en ursprunglig Singularitet ha fallit isär på andra sätt så att det bildats andra universum än det där vi lever? Så vitt jag förstår menar de flesta fysiker idag att det hade varit möjligt. Symmetrier är strängt lagbundna, och där absolut ordning råder kan det bara vara på ett enda sätt. Symmetribrott och oordning däremot kan det vara på ett otal olika sätt. Vårt universum är ett utfall bland många möjliga. Det kunde ha blivit annorlunda men det gick så här och det finns ingen teori som förklarar den saken.

Förutsättningar för liv

Med dessa tre begrepp – symmetri, kontingen och entropi – kan vi nu återvända till den tidigare frågan: hur har liv blivit möjligt i ett materiellt universum? Det tycks som om två mycket tidiga tilldragelser eller symmetribrott varit avgörande.
        Det första brottet gäller atomkärnor. När rummet töjdes ut i universums tidiga, explosionsartad fas, föll energinivån snabbt. De enda atomkärnor som bildades var de till de lätta grundämnena, väte och helium. Om den tidiga expansionen skett i något långsammare tempo hade kärnsyntesen fortsatt och de lätta kärnorna hade slagits samman och brunnit till kärnor i tyngre grundämnen. Men så blev det inte, expansionen gick för snabbt, energiintensiteten sjönk för brant och syntesen avbröts. Resultatet blev att materien i vårt universum nästan uteslutande består av väte- och heliumatomer. Det finns ännu gott om obrunnet material från ursprunget, som kan återtända vid tillräckligt hög energiintensitet.
Det andra brottet gällde fördelningen av energi i ett tidigt universum. Om energin hade varit absolut jämt fördelad i rummet hade det inte hänt mycket mer. Universum hade idag varit en mycket tunn gas av väte och helium genomfluten av en allt kallare strålning. Men så blev det ju inte. Det fanns tillfälliga ojämnheter i det snabbt expanderande molnet, punkter som var något mer energitäta än angränsande område. Det var början till en rumslig struktur. De energitäta områdena blev till gravitationskärnor, som höll ihop något bättre än andra områden, när rummet töjde sig. Med tiden skall de dras samman till galaxhopar och till enskilda galaxer, och inom galaxer till stjärnhopar och enskilda stjärnor. I dessa stjärnor kan den fjärde och svagaste av universums krafter, gravitationen, alstra en energiintensitet, som är tillräckligt hög för att på nytt tända den kärnsyntes som slocknade när energin föll vid rummets första expansion. Väteatomens kärnor omvandlas här till heliumkärnor och heliumkärnor blir via komplicerade reaktioner till kärnor i de tyngre grundämnena i periodiska systemet: kol, syre, kväve, järn etc. I denna kärnsyntes övergår något av kärnornas massa till energi i form av elektromagnetisk strålning, det vi kallar ljus.
         Sammantaget medför dessa händelser att det lokalt och under en begränsad tidsrymd kan uppkomma sådana förhållanden att liv blir möjligt. Det som krävs är en plats, där energi flödar igenom under tillräckligt lång tid för att något av den mångfald av former som platsen potentiellt innehåller får en rimlig chans att realiseras. Eller mer precist: det som krävs för liv är a) en lagom stor stjärna som bränner vätgas (lagom betyder här en stjärna med en brinntid på i storleksordningen 10 miljarder år), b) en lagom stor planet på lagom avstånd från centralstjärnan (lagom betyder att förhållanden skall tillåta flytande vatten) samt c) planeten skall bestå av materia från exploderande stjärnor, vilket betyder att den skall bestå av lämpliga mängder av lämpliga grundämnen såsom kol, syre, kväve plus en hel del annat.
I en fysikers värld är liv just detta: energi från solljus tas upp av jordens gröna växter och binds tillfälligt i en mångfald av organiska föreningar. Den slussas emellertid snart vidare längs ett otal kemiska reaktionsvägar, där den stegvis splittras upp i allt mindre energikvanta för att slutligen lämna systemet och stråla ut i rymden som värme. Alltså: ett energirikt kvantum in, många energifattiga kvanta ut. Samma mängd energi in som ut, där råder balans. I entropiutbytet däremot finns ingen balans. Energiflödet lyfter ut entropi ur biosfären så att nya strukturer kan skapas och ersätta dem som utplånas av den strukturupplösande tendens, som alltid är närvarande och som på kort tid kommer att utplåna allt liv, när flödet av energi upphör.
Söker man en bild för det levande i fysikens värld, finns nog ingen bättre än de virvlar som bildas i strömt vatten nära strand. Virvlarna kan tyckas stabila, de står kvar på samma ställe eller beskriver små vibrerande cirkelrörelser; de kan löses upp och återbildas. Virvlarna är tecken på strömmande vatten, på bristande jämvikt och när flödet upphör, löses virvlarna upp för gott.
         Sådan är livets plats i materiens värld. Här på jorden påbörjades det för en 3-4 miljarder år sedan. Det kommer säkerligen att fortsätta finnas på jorden i ytterligare 3-4 miljarder år, ända till dess solens förråd av väte börjar tryta. Sen är det slut. Några evighetsmaskiner finns inte och livet är halvvägs kommet på den här planeten.
Men om förutsättningarna för liv är en lagom stor stjärna och en lagom stor planet försedd med lämpliga grundämnen, måste vi anta att det finns liv lite varstans i universum. Vi kan bara ta vår egen galax som ett räkneexempel. Den antas innehålla ca 100 miljarder stjärnor. Anta att en på tusen av dem har lämplig storlek och av dem är en på tusen omgiven av en lämplig planet. Det skulle betyda att det i vår galax finns ca 100 000 planeter där det kan finnas liv i någon form. Men med tanke på vår galax storlek, med en radie på ca 50 000 ljusår, verkar det inte troligt att det finns någon sådan planet på närmre avstånd än säga 10 eller 100 ljusår. Det är alltså långt mellan de platser där liv kan förekomma och förmodligen kommer vi aldrig att få direkt kontakt med andra former av liv än de som finns på jorden.
        Men även om liv bara förekommer glest bör man minnas att det synliga universum rymmer åtminstone 100 miljarder galaxer och att det alltså rimligen bör finnas liv på otaliga planeter runt om i universum. Liv som uppstår och upplöses enligt samma principer som gäller för liv på vår egen planet.
        Fysiker idag tror emellertid att slutet på den här historien blir övermåttan dyster för livets del. I ännu miljarders miljarder år kommer det att bildas nya galaxer och tändas nya stjärnor och uppstå nya former av liv men med tiden blir tomrummet så uttänjt och energin så strukturlöst utspridd att inga nya stjärnor kan tändas, inget mer händer och tiden upphör långsamt.

Sammanfattningsvis kan man alltså säga att i materiens värld förekommer liv sparsamt och är av kort varaktighet. Det kan ses som en lokal och tillfällig sidoeffekt av dels den struktur som fanns i urtillståndet och dels de symmetribrott, som ägde rum under universums tidiga historia, då dess välstrukturerade och supersymmetriskt tillstånd föll sönder.
        Jag tror att det var när den här bilden av livets plats i universum började bli tydlig under senare hälften av 1900-talet som framstegstron blev alldeles orimlig. När vår jord förintas, kommer det inte att finnas några spår efter oss som levat här. Liv går inte att försvara, inte att bevara. Det förekommer bara i närheten av de ännu oförbrända resterna från ursprunget.
Man skall emellertid inte heller dra alltför snabba slutsatser. För även om liv är ett sällsynt och kortvarigt inslag i universums historia, kvarstår likväl möjligheten att de levande på olika sätt gestaltar något av urtillståndet. Något av det som föll sönder har senare under miljarder av år provisoriskt satts samman till liv. Och kanske kan det inte fogas samman på något annat sätt än just så att det blir till biologiskt liv.