Den antropiska principen

Det universum som vi i dag observerar uppstod för 13,7 miljarder år sedan i det unika tillstånd av extrem densitet och temperatur som vi till vardags kallar för Big bang. Det mycket tidiga universumet var strukturellt sett mycket enkelt och kan beskrivas som ett nästan likformigt expanderande klot av materia respektive energi. En av anledningarna till att kosmologer kan tala om universums tidiga historia med en relativt hög grad av säkerhet är att saker och ting då var okomplicerade och därför är enkla att modellera. Efter nästan fjorton miljarder års utveckling har universum blivit mycket komplext, med människans hjärna (med sina 1011 neuroner och deras mer än 1014 kopplingar) som det mest komplicerade system som naturvetenskapen stött på i sitt utforskande av världen.

Evolutionära processer innefattar en växelverkan mellan två aspekter av den naturliga världen som med ett slagord skulle kunna betecknas som ”slump och nödvändighet”. Endast en mycket liten del av det som teoretiskt sett är möjligt har faktiskt hänt, och ”slumpen” står för den kontingenta bråkdelen av verkliga händelser. Till exempel fanns det i det mycket tidiga universumet små fluktuationer i fördelningen av materia. Dessa inhomogeniteter gav upphov till de slumpmässiga frön från vilka den korniga strukturen av galaxer och stjärnor så småningom skulle växa fram. De faktiska detaljerna i denna kosmiska struktur var slumpmässig materia, men processen omfattade också lagbunden ”nödvändighet” i form av gravitationskraftens inverkan. Lite mer materia ”här” ledde till lite starkare gravitationell attraktion ”hitåt”, vilket satte igång ett slags snöbollsprocess genom vilken galaxerna förtätades.

Den centrala insikten i den antropiska principen är att universums lagbundna nödvändighet måste ha en mycket speciell form, ofta uttryckt med metaforen om naturlagarnas ”finjustering” (fine-tuning), för att människor (grek. anthropoi) över huvud taget ska kunna uppkomma under den kosmiska historiens gång. Med andra ord, det evolutionära utforskandet av vad som skulle kunna hända (”slumpen”) skulle inte vara tillräckligt om universums lagbundna regelbundenhet (”nödvändigheten”) inte hade antagit den mycket specifika form som krävs för att möjliggöra biologisk utveckling. Universum var redan miljarder år gammalt när livet för första gången uppträdde, men möjligheten att liv skulle kunna uppstå fanns med från första början.

Många naturvetenskapliga insikter sammanstrålar för att leda till denna oväntade slutsats. De har att göra med processer som äger rum vid olika tidpunkter i universums historia, från ögonblicken inom en bråkdel av en sekund efter Big bang, genom den första generationen av stjärnor och galaxer till processer som sker i dagens kosmos. Det är tillräckligt att peka på några exempel för att illustrera vilka överväganden som är inblandade. För mer omfattande och detaljerade framställningar hänvisar jag till mera utförliga studier, som exempelvis J. D. Barrow–F. J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford University Press 1986.

Antropisk specificitet

För att kolbaserat liv ska vara möjligt, måste lagarna som gäller i universum uppfylla ett antal villkor.

1. Öppen karaktär

Naturvetenskapen har alltmer börjat inse att uppkomsten av någonting helt nytt beror på existensen av tillstånd som befinner sig ”på gränsen till kaos”. Med detta menas att regelbundenhet och öppenhet, ordning och oordning, är sammanvävda på ett subtilt sätt. Tillstånd som domineras av en rigid ordning är för inflexibla för att tillåta uppkomsten av någonting helt och hållet nytt. Omorganisering av redan existerande element är möjligt, men det kan inte uppkomma någonting helt nytt. Samtidigt uppvisar tillstånd som är alltför fluktuerande till sin karaktär en instabilitet som innebär att ingenting nytt kan bestå. Detta illustreras av den biologiska evolutionens välkända historia. Om det inte skulle finnas några genetiska mutationer skulle livet aldrig utvecklats till nya former; om det å andra sidan skulle finnas för mycket genetisk mutation, skulle det aldrig uppkomma arter som kan bli föremål för naturligt urval.

Kvantmekaniken bestämmer den grundläggande karaktären på fysikens lagar, vilket innebär både tillförlitlighet (t.ex. atomernas stabilitet) och öppenhet (oförutsägbarheten hos många utfall). Det är troligt att dessa egenskaper har varit nödvändiga för att liv ska uppkomma, vilket hade varit omöjligt om universum hade styrts av newtonsk determinism.

2. Rumslig bakgrund

Planetbanors stabilitet, som är en uppenbar nödvändighet för att liv ska kunna uppstå på någon av planeterna, har sin grund i gravitationslagens utformning. Om gravitationskraften hade varit omvänt proportionell mot kuben i stället för kvadraten på avståndet mellan två kroppar, skulle det varit omöjligt för stabila solsystem att uppstå. Gravitationslagens utformning har med rumsdimensionerna att göra. Om rummet hade varit fyrdimensionellt i stället för tredimensionellt hade gravitationskraften faktiskt varit omvänt proportionell mot kuben på avståndet.

3. Kvantitativ specificitet

Det finns fyra fundamentala naturkrafter i vårt universum. Deras inneboende styrkor bestäms av värdena för fyra motsvarande naturkonstanter. Finstrukturkonstanten (?) bestämmer elektromagnetismens styrka; Newtons gravitationskonstant (G) bestämmer gravitationskraftens styrka; två konstanter bestämmer styrkan hos kärnkrafterna, gs för de starka krafterna som håller ihop atomkärnor, och gw för de svaga krafterna som orsakar vissa typer av kärnsönderfall samt reglerar växelverkan mellan neutriner.

Om gw vore lite mindre, så skulle allt väte ha omvandlats till helium innan det tidiga universumet hade svalnat till temperaturen vid vilken kosmiska kärnprocesser upphörde. Detta skulle inte bara ha inneburit att det inte hade funnits något vatten, vilket är nödvändigt för liv, utan också att det bara skulle ha funnits heliumbrinnande stjärnor, vilka inte har tillräcklig livslängd för att möjliggöra utvecklingen av liv på en av sina planeter. Om gw hade varit något större, skulle supernovaexplosioner varit omöjliga.

Det senare skulle ha haft allvarliga följder för de sofistikerade och mycket känsliga processer som utgör grunden för det kemiska råmaterial som liv sätts samman av. Eftersom det mycket tidiga universumet är enkelt, produceras endast de två enklaste grundämnena, väte och helium. Deras kemi är för tråkig för att utgöra basen för någonting så intressant som liv, vilket kräver mer än tjugo ytterligare grundämnen, framför allt kol, vars kemiska egenskaper gör det möjligt att bilda långa kedjemolekyler som utgör den biokemiska grunden för liv. Den enda platsen i universum där kol bildas är de nukleära masugnarna i stjärnornas inre. Man skulle kunna säga att alla levande varelser är gjorda av stjärnstoft. Att reda ut kedjan av kärnreaktioner genom vilken kol och tyngre grundämnen bildades, var en av de stora bedrifterna inom 1900-talets astrofysik. Fred Hoyle, som var en pionjär inom detta arbete, insåg att bildning av kol var möjlig endast eftersom det fanns en viss resonans (en stor förstärkningseffekt) vid en viss energinivå i kol samtidigt som syre saknade motsvarande resonans, vilket förhindrade att kol gick förlorat för att det redan förvandlats till syre. Dessa kärnfysiska detaljegenskaper beror på värdet på gs. Om värdet på gs hade varit lite annorlunda, hade det inte funnits något kol och därmed inte heller något kolbaserat liv. När Hoyle, som själv var ateist, insåg detta, lär han ha sagt att universum var ett beställningsjobb. Han kunde inte tro att en så avgörande finjustering helt enkelt var en lyckosam tillfällighet.

Inuti en stjärna är det inte möjligt att tillverka tyngre grundämnen än järn, som har den mest stabila kärnan. Därför återstår två problem. Hur bildas de tyngre grundämnena, av vilka några är nödvändiga för liv, och hur får man ut de lättare grundämnena från stjärnan i vilken de tillverkats? En supernovaexplosion löser båda problemen, eftersom de neutrinoprocesser som åtföljer explosionen också leder till skapandet av tyngre grundämnen än järn, förutsatt att gw har ett lämpligt värde.

Stjärnor spelar ytterligare en roll när det gäller att möjliggöra liv. De utgör långlivade (miljarder år gamla) och relativt stabila energikällor som ger bränsle åt livsprocessen. Detta innebär att förhållandet mellan elektromagnetism och gravitation (alfa och G) måste ligga inom ett visst snävt intervall – annars skulle stjärnor brinna antingen så våldsamt att de bara kunde bli några få miljoner år gamla, eller så svagt att de inte skulle vara till någon större användning i alla fall.

Flera andra antropiska villkor skulle kunna nämnas. Ett av de mest precisa har att göra med den kosmologiska konstanten (lamda), en parameter som beskriver ett slags antigravitation som repellerar materia. Möjligheten att lamda inte är noll insågs av Einstein, men man förstod snart nog att om den alls existerar så måste den vara mycket liten, eftersom universum i annat fall skulle ha expanderat för snabbt. Vi vet nu att konstantens värde inte får vara mer än 10-120 av dess naturligt förväntade styrka. Detta innebär en utomordentligt hög grad av nödvändig finjustering.

4. Begynnelsevillkor och andra villkor

Den kosmiska historien är en dragkamp mellan två motsatta tendenser, den kontraherande gravitationskraften (som drar samman materia) och summan av expansiva effekter (som begynnelsehastigheter efter Big bang tillsammans med andra effekter som en nollskild lamda-konstant). Dessa båda måste balanseras försiktigt om universum inte snabbt ska kollapsa till en big crunch (stor kollaps), eller fort bli så materiellt glest att livsnödvändiga processer blir omöjliga. Om kosmologer extrapolerar tillbaka till Plancktiden, då universum bara var 10-43 sekunder gammalt, drar de slutsatsen att skillnaden då inte kunde varit större än en på 1060. Vi återkommer till detta längre fram i denna artikel.

Roger Penrose har understrukit att universum tycks ha börjat i ett tillstånd av extremt hög ordning (eller låg entropi). Detta tros vara intimt förknippat med universums termodynamiska egenskaper, och kanske även med tidens natur. Penrose uppskattar sannolikheten för att detta sker helt slumpmässigt till en på 10 upphöjt till 123.

En annan antropisk nödvändighet är det observerbara universums storlek med sina 1011 galaxer, var och en med ungefär 1011 stjärnor. Även om en sådan kolossal omfattning ibland kan verka skrämmande för invånarna på vad som i själva verket bara är en kosmisk dammpartikel, vårt jordklot, ska vi inte bli upprörda, ty bara ett universum minst lika stort som vårt kan bestå i de fjorton miljarder år som krävs för att människan ska kunna uppkomma. Ett mindre universum skulle ha haft en alldeles för kort livslängd för att möjliggöra mänskligt liv.

5. Biologiska överväganden

På grund av att biologi är så komplext (exempelvis betydligt mer komplext än fysik) är det mycket svårt att härleda antropiska villkor direkt från detaljer i biologiska processer. Uppenbart är dock att livets uppkomst på många sätt beror på detaljerna i materiens egenskaper. Ett enkelt exempel är den märkliga egenskapen att vatten expanderar när det fryser och på så sätt förhindrar sjöar från att bli till is från botten och upp och därigenom döda allt liv i dem. Förändringar av värdet på ? skulle ändra dessa egenskaper.

Detta avsnitt har i korta drag antytt några av de överväganden som klargör att ett antropiskt universum är ett mycket säreget universum. Det är också värt att notera att medan åtskilliga villkor begränsar naturkonstanterna, finns det ändå en uppsättning värden som genomgående uppfyller dem, ett i sig självt anmärkningsvärt faktum om världens uppbyggnad.

Tolkning

Alla naturvetare håller med om att universums fysiska struktur måste ta en mycket speciell form för att kolbaserat liv ska kunna utvecklas. Oenigheterna börjar i diskussionen om vilken betydelse detta anmärkningsvärda faktum har.

För många naturvetare kom upptäckten av kosmisk finjustering som en ovälkommen chock. Rent professionellt eftersträvar naturvetare allmängiltighet, vilket gör dem på sin vakt mot att fokusera enstaka, unika händelser och aspekter av tillvaron. Deras naturliga benägenhet är att tro att vårt universum är ett ganska typiskt exempel på hur ett universum skulle kunna se ut. Den antropiska principen visade att detta inte är fallet, utan att vårt universum är mycket speciellt, ett fall på biljonen så att säga. Insikten om detta verkade som ett slags antikopernikansk revolution. Självfallet befinner sig människan inte i centrum av kosmos, men denna världs inneboende fysiska struktur måste vara begränsad till ett mycket litet intervall för att evolution av mänskligt liv ska kunna äga rum. Somliga fruktade också att de här började skönja ett ovälkommet hot från teismen. Om universum är utrustat med en finjusterad potentialitet kan detta peka mot att det finns en gudomlig Finjusterare.

En helt ny version av designargumentet hade plötsligt lyfts upp på dagordningen. Darwinistiska insikter hade undergrävt kraften i det gamla designargumentet för Guds existens som tidigare formulerats av till exempel John Ray och William Paley. De hade hänvisat till levande varelsers funktionsduglighet, men evolutionsteorin hade visat hur tålmodigt ansamlande och utsållning av små förändringar kunde ge upphov till intrycket av design utan att man därför var tvungen att hänvisa till direkta ingripanden av en gudomlig Designer. Teologer kom att inse att den tidigare formen av naturlig teologi hade begått misstaget att göra sig till en konkurrent till naturvetenskapen på den senares kompetensområde. Man hade sökt ge svar på frågor såsom ursprunget till det optiska systemet i däggdjurs ögon, en fråga som ligger inom biologins domäner. Denna kritik kunde dock inte riktas mot det nya argumentet som hänvisade till antropisk potentialitet. Den nya naturliga teologin eftersträvade att vara komplementär till naturvetenskapen, snarare än i konkurrens med den. Det man nu befattade sig med var naturlagarna själva. Dessa kan inte förklaras naturvetenskapligt, eftersom de måste antas som en oförklarad bas utifrån vilken naturvetenskapen kan förklara andra skeenden. David Hume hade argumenterat för att man skulle acceptera materiens egenskaper som ett factum brutum, men naturens finjusterade karaktär gör det intellektuellt otillfredsställande att avbryta sökandet efter förklaringar här. Hume hade kritiserat det äldre designargumentet för att vara alltför antropomorft, som om Skaparens verk skulle kunna jämföras med en snickare som bygger ett skepp. Denna kritiska anmärkning gäller dock inte för antropiska argument, eftersom det inte finns någon mänsklig motsvarighet till att skapa materia med vissa inneboende potentialiteter. I relation till Bibelns tankevärld skulle man kunna säga att det hebreiska ord som används i Gamla testamentet som bäst motsvarar tanken på finjustering är ordet bara (som reserverats för gudomlig aktivitet) snarare än ordet asah (”danande”, som används om både Gud och människor).

Det första steget i diskussionen om tolkningen av den antropiska principen var att skilja mellan olika formuleringar av den. Den mest anspråkslösa var den svaga antropiska principen (Weak Anthropic Principle) som helt enkelt uttrycker den tautologiska insikten att karaktären av det universum vi observerar måste vara konsistent med vår närvaro som observatörer i det. Vid första påseendet verkar det inte vara någon speciellt spännande insikt. Det är tydligt att det till exempel inte är någon överraskning att vi ser ett universum som är ungefär fjorton miljarder år gammalt, då varelser med vår komplexitet inte skulle kunnat uppkomma tidigare. Men vi såg i det tidigare avsnittet att naturvetenskapliga undersökningar har visat att fullständiga antropiska villkor långt ifrån är triviala, ty de innebär till exempel att naturkonstanternas värden måste befinna sig inom vissa snäva intervall. Samma naturkonstanter bestämmer hur universum ska se ut.

Några införde därför den starka antropiska principen (Strong Anthropic Principle, SAP) som säger att universum med nödvändighet måste ha sådana egenskaper som gör det möjligt för liv att uppkomma vid någon tidpunkt. Problemet med detta är att se vad som skulle kunna vara källan för den påstådda nödvändigheten. SAP är ett starkt teleologiskt uttalande. Den religiöst troende kommer inte ha några problem att acceptera nödvändighet som grundad i Skaparens vilja, men SAP som ett rent sekulärt påstående är mystiskt. Det verkar inte ha sin grund enbart i naturvetenskapen.

Två andra former av den antropiska principen diskuteras ibland. Den participationsantropiska principen (Participatory Anthropic Principle, PAP) hävdar att observatörer är nödvändiga för att universum ska börja existera. Här görs något slags hänvisning till en omtvistad tolkning av kvantmekaniken som uttrycker sig i termer av en observatörsberoende verklighet. Men det är svårt att tro att universum inte existerade förrän observatörer uppkom. Sedan finns också den finala antropiska principen (Final Anthropic Principle, FAP) som påstår att när intelligent informationsbehandling väl kommit igång i universum måste den fortgå för evigt. Här är det återigen svårt att hitta en sekulär källa till den påstådda nödvändigheten. PAP och FAP verkar ännu mindre tillfredsställande än SAP.

En annan invändning mot antropiska resonemang som syftar till att ta udden av påståendet att vårt universum skulle vara så speciellt, är att påpeka att vi faktiskt bara har ett universum att studera, och hur skulle man kunna dra några vidare slutsatser från ett enda exempel? Vi kan emellertid besöka andra möjliga universum som är någorlunda lika vårt eget med vår naturvetenskapliga föreställningsförmåga. Övervägandet i föregående avsnitt om världar vars naturkonstanter antar andra värden än i vårt universum skulle vara ett exempel på det. I denna tänkta samling av angränsande världar, fann vi att bara en mycket begränsad uppsättning värden hade antropisk potentialitet i likhet med vår egen. Detta är säkerligen tillräckligt för att fastställa en grad av specificitet som kräver någon form av metavetenskaplig förståelse av vårt universums antropiska egenart.

Andra menar att det kanske bara finns en möjlig värld, ett universum i vilket naturkrafterna med nödvändighet antar de värden som vi observerar. Företrädare för denna uppfattning hänvisar till svårigheterna för fysiker att kombinera den generella relativitetsteorin med kvantmekaniken, och de har föreslagit att det kanske finns en övergripande enhetlig teori (Grand Unified Theory, GUT) som åstadkommer detta och som bestämmer naturkonstanternas värden. För många verkar det osannolikt att en övergripande enhetlig teori skulle vara helt fri från så kallade skalningsparametrar, men även om så vore fallet, skulle man fortfarande vara tvungen att förklara varför relativitetsteorin och kvantmekaniken ska behandlas som givna faktum. De verkar helt klart vara antropiskt nödvändiga, men de är inte på något sätt logiskt oundgängliga. Om det dessutom verkligen skulle finnas en unik övergripande enhetlig teori, så skulle den största antropiska tillfälligheten av alla säkerligen vara att denna teori, som man kommit fram till genom resonemang om logisk konsistens, också skulle visa sig vara grunden för en värld som förmår frambringa varelser som förstår en sådan konsistens.

Ett mer anspråkslöst och realistiskt förslag framhåller att vissa antropiska tillfälligheter kan vara resultatet av en djupare teori, så att de inte längre kräver finjustering. Ett faktiskt exempel på detta är förmodligen den känsliga jämvikten mellan expansiva och kontraherande effekter i det mycket tidiga universumet som diskuterades tidigare. Man tror numera att när universum var ca 10-35 sekunder gammalt skedde en kosmisk fasövergång (då rymden liksom kokade), i vilken universum under en mycket kort tid utvidgades med en enorm hastighet. Denna process kallas inflation och ska ha jämnat ut universumet och lett till den balans mellan expansiva och kontraherande tendenser som vi nu kan observera. Men inflationen själv, om den ska fungera tillfredsställande, kräver en övergripande enhetlig teori som är begränsad i form, så den antropiska egenarten har inte gått förlorad utan pressats djupare in i världens struktur.

Man kan i stället titta på ett slags moderat antropisk princip som framhåller universums särskilda karaktär och erkänner att detta inte kan behandlas som en lyckosam tillfällighet utan kräver någon form av förklaring.

Två motsatta metavetenskapliga synsätt har lagts fram. John Leslie, som tycker om att filosofera i liknelser, berättar en historia som åskådliggör frågan. Du är på väg att avrättas och skickliga prickskyttar riktar sina gevär mot ditt bröst. En officer ger order om att skjuta … och så upptäcker du att du överlevt! Går du helt enkelt därifrån och säger ”Det var nära ögat!”? Självfallet inte, för en så anmärkningsvärd händelse kräver en förklaring. Leslie menar att detta kan ske på endera två sätt. Antingen sker ett mycket stort antal avrättningar i dag, och eftersom prickskyttar någon gång då och då missar, visar det sig att du råkar vara med om den avrättning då alla missar samtidigt. Eller också var det mer som försiggick bakom kulisserna, vilket du inte var medveten om – prickskyttarna var på din sida och missade avsiktligt. Denna förtjusande berättelse kan överföras till de två följande positionerna som tar antropiska frågeställningar på skäligt allvar.

1. Multiversum

Det har föreslagits att det kanske finns ett stort antal olika universum, vart och ett med många olika sorters naturlagar. I denna stora mängd av världar råkar det finnas en värld där kolbaserat liv kan utvecklas, och detta är naturligtvis vårt universum, eftersom vårt liv är kolbaserat. Ett antropiskt kosmos är helt enkelt en mycket ovanlig vinstlott i det kosmiska lotteriet.

Den mest ekonomiska varianten av denna idé antar att dessa olika världar i själva verket är stora områden inom ett enda fysiskt universum. Sättet på vilket symmetrin i den ursprungliga storförenade teorin bröts då expansionen kylde ner universum och därmed producerade de krafter som faktiskt verkar i dag, måste inte vara universellt. I stället skulle kosmos kunna vara en mosaik av olika domäner, där symmetribrottet antog olika former i var och en av dem. Vi är ovetande om detta eftersom inflationen har drivit bort alla andra domäner från vårt synfält. Det är naturligtvis i vår domän där symmetribrottet var sådant att det ledde till antropisk nödvändighet. Idén är plausibel, men den modifierar bara i viss utsträckning kravet på specificitet, eftersom det fortfarande är nödvändigt för den ursprungliga storförenade teorin att, när dess symmetri bröts, ha en form sådan att den kunde applicera lämpliga styrkor på naturkrafterna.

Alla förslag som är mer radikala än detta leder till spekulationer som ligger bortom sansat fysikaliskt tänkande. Man måste göra vacklande hänvisningar till för närvarande dåligt definierade begrepp inom kvantkosmologin och samtidigt tillgripa ad hoc-antaganden om radikala olikheter mellan naturlagarna i de världar som antas vara frambringade på detta sätt. Multiversum i denna form är ingenting annat än en metafysisk gissning som kräver överdriven ontologisk slösaktighet. Ibland kan det verka som om människor hänvisar till multiversum i denna form delvis för att undvika teismen som hänger samman med den andra lösningen.

2. Skapelse

Teisten kan tro att det bara finns ett universum vars antropiska karaktär speglar den potentialitet som dess Skapare ville ge det för att det skulle ha en fruktbar historia. Detta är också en metafysisk gissning, men i motsats till multiversumhypotesen har den ett förklaringsvärde som går utöver de antropiska frågeställningarna. Till exempel kan världens begripliga och beundransvärda ordning som är så slående för naturvetaren förstås som en återspegling av Skaparens medvetande. Utbredda mänskliga vittnesmål om erfarenhet av och möten med det heliga kan förstås som äkta varseblivning av Guds fördolda närvaro. Om antropisk specificitet förstås på detta sätt försöker man inte lägga fram ett tvingande bevis för Guds existens som bara en ytterst enfaldig person skulle kunna förneka, utan man ger ett insiktsfullt bidrag till ett kumulativt argument för teism som ses som den bästa förklaringen på den värld som vi lever i.

Översättning: Mikael Schink

John Polkinghorne är doktor i fysik och präst i Anglikanska kyrkan.