Filosofer har diskuterat ”ingenting” i tusentals år, men vad har den moderna vetenskapen att säga om det? I en intervju med The Conversation förklarar Martin Rees, kunglig astronom och professor emeritus i kosmologi och astrofysik vid University of Cambridge, att när fysiker talar om ingenting menar de tomt utrymme (vakuum). Detta kan låta enkelt, men experiment visar att tomt utrymme inte riktigt är tomt – det finns en mystisk energi latent i det som kan berätta något om universums öde.

Rees intervjuades för The Conversation’s Anthill podcast on Nothing. Denna Q&A är baserad på en redigerad utskrift av den intervjun.

Q: Är tomt utrymme verkligen detsamma som ingenting?

A: Tomt utrymme verkar vara ingenting för oss. I analogi med detta kan vatten tyckas vara ingenting för en fisk – det är vad som återstår när man tar bort alla andra saker som flyter i havet. På samma sätt antas tomrummet vara ganska komplicerat.

Vi vet att universum är mycket tomt. Den genomsnittliga tätheten i rymden är ungefär en atom per tio kubikmeter – mycket mer sällsynt än något vakuum vi kan uppnå på jorden. Men även om man tar bort all materia har rymden en slags elasticitet som (vilket nyligen bekräftades) gör att gravitationsvågor – krusningar i själva rymden – kan fortplanta sig genom den. Dessutom har vi lärt oss att det finns en exotisk typ av energi i själva tomrummet.

Q: Vi lärde oss först om denna vakuumenergi på 1900-talet i och med framväxten av kvantmekaniken, som styr den lilla världen av atomer och partiklar. Den tyder på att tomrummet består av ett fält av fluktuerande bakgrundsenergi – vilket ger upphov till vågor och virtuella partiklar som dyker upp och försvinner ur existensen. De kan till och med skapa en liten kraft. Men hur är det med tomrummet i stor skala?

A: Det faktum att tomrummet utövar en kraft i stor skala upptäcktes för 20 år sedan. Astronomer upptäckte att universums expansion accelererade. Detta var en överraskning. Expansionen hade varit känd i mer än 50 år, men alla förväntade sig att den skulle avta på grund av den gravitationskraft som galaxer och andra strukturer utövar på varandra. Det var därför en stor överraskning att upptäcka att denna avmattning på grund av gravitationen överväldigades av något som ”driver” expansionen. Det finns så att säga latent energi i själva tomrummet, vilket orsakar ett slags avstötning som uppväger gravitationens dragningskraft på dessa stora skalor. Detta fenomen – som kallas mörk energi – är den mest dramatiska manifestationen av det faktum att den tomma rymden inte är utan egenskaper och irrelevant. Det bestämmer faktiskt vårt universums långsiktiga öde.

Q: Men finns det en gräns för vad vi kan veta? På en skala som är en triljon triljon gånger mindre än en atom kan kvantfluktuationer i rymdtiden ge upphov till inte bara virtuella partiklar utan även till virtuella svarta hål. Detta är ett område som vi inte kan observera och där vi måste kombinera gravitationsteorier med kvantmekanik för att undersöka vad som händer teoretiskt – något som är notoriskt svårt att göra.

A: Det finns flera teorier som syftar till att förstå detta, den mest kända är strängteorin. Men ingen av dessa teorier har ännu engagerat sig i den verkliga världen – så de är fortfarande oprövade spekulationer. Men jag tror att nästan alla accepterar att själva rymden skulle kunna ha en komplicerad struktur på denna lilla, lilla skala där gravitations- och kvanteffekter möts.

Vi vet att vårt universum har tre dimensioner i rymden: man kan gå till vänster och höger, bakåt och framåt, uppåt och nedåt. Tiden är som en fjärde dimension. Men det är en stark misstanke att om man förstorade en liten punkt i rymden så att man undersökte den här lilla, lilla skalan … skulle man upptäcka att det är en hårt lindad origami i ungefär fem extra dimensioner som vi inte ser. Det är ungefär som när man tittar på en slang från långt håll och tror att det bara är en linje. Men när man tittar närmare ser man att en dimension i själva verket var tre dimensioner. Strängteorin inbegriper komplex matematik – det gör även de rivaliserande teorierna. Men det är den typen av teori vi kommer att behöva om vi på djupaste nivå ska kunna förstå det som ligger närmast ingenting som vi kan föreställa oss: nämligen tomrummet.

Baca juga: Aliens, very strange universes and Brexit – Martin Rees Q&A

Q: Inom ramen för vår nuvarande förståelse, hur kan vi förklara att hela vårt universum expanderar från ingenting? Kan det verkligen bara börja med lite fluktuerande vakuumenergi?

A: Någon mystisk övergång eller fluktuation kan plötsligt ha fått en del av rymden att expandera – det är i alla fall vad vissa teoretiker tror. De fluktuationer som är inneboende i kvantteorin skulle kunna skaka hela universum om det pressades till en tillräckligt liten skala. Det skulle ske vid en tidpunkt på cirka 10-44 sekunder – det som kallas Plancktiden. Det är en skala där tid och rum är sammanflätade så att idén om en klocka som tickar inte har någon mening. Vi kan extrapolera vårt universum med stor säkerhet tillbaka till en nanosekund, och med viss säkerhet ända tillbaka mycket närmare Planck-tiden. Men därefter är alla satsningar ute eftersom … fysik på den här skalan måste ersättas av någon stor, mer komplicerad teori.

Q: Om det är möjligt att en fluktuation i en slumpmässig del av det tomma utrymmet gav upphov till universum, varför skulle då inte exakt samma sak kunna hända i en annan del av det tomma utrymmet – vilket skulle kunna ge upphov till parallella universer i ett oändligt multiversum?

A: Tanken att vår Big Bang inte är den enda och att det vi ser med våra teleskop är en liten del av den fysiska verkligheten är populär bland många fysiker. Och det finns många versioner av ett cykliskt universum. Det var bara för 50 år sedan som starka bevis för en Big Bang först dök upp. Men sedan dess har det funnits spekulationer om huruvida detta bara är en episod i ett cykliskt universum. Och det har funnits en växande dragningskraft för konceptet att den fysiska verkligheten består av mycket mer än den volym av rum och tid som vi kan undersöka – även med de mest kraftfulla teleskopen.

Vi har alltså ingen aning om huruvida det fanns en Big Bang eller många – det finns scenarier som förutspår många Big Bangs och några som förutspår en. Jag tycker att vi borde utforska dem alla.

Q: Hur kommer universum att sluta?

A: Den enklaste långtidsprognosen förutsäger att universum fortsätter att expandera i accelererande takt, att det blir allt tommare och allt kallare. Partiklarna i det kan sönderfalla, vilket gör att utspädningen fortsätter i all oändlighet. Vi skulle i slutändan på sätt och vis få en enorm rymdvolym, men den skulle vara ännu tommare än vad rymden är nu. Detta är ett scenario, men det finns andra som innebär att den mörka energins ”riktning” vänder från avstötning till attraktion, så att det kommer att ske en kollaps till en så kallad ”Big Crunch”, när tätheten återigen går mot oändligheten.

Det finns också en idé, som beror på fysikern Roger Penrose, om att universum fortsätter att expandera och blir alltmer utspätt, men att det på något sätt – när det inte finns något annat än fotoner, ljuspartiklar, i universum – kan ”skalas om”, så att rymden efter denna enorma utspädning på sätt och vis blir generatorn för en ny Big Bang. Så det är en ganska exotisk version av det gamla cykliska universumet – men be mig inte att förklara Penroses idéer.

Q: Hur säker är du på att vetenskapen i slutändan kan lösa vad ingenting är? Även om vi skulle kunna bevisa att vårt universum startade genom en märklig fluktuation i ett vakuumfält, måste vi då inte fråga oss var vakuumfältet kom ifrån?

A: Vetenskapen försöker besvara frågor, men varje gång vi besvarar dem kommer nya frågor i fokus – vi kommer aldrig att få en fullständig bild. När jag började forska i slutet av 1960-talet var det kontroversiellt om det överhuvudtaget hade skett en Big Bang. Nu är det inte längre kontroversiellt, och vi kan med ungefär 2 procents noggrannhet säga hur universum såg ut hela vägen tillbaka från dagens 13,8 miljarder år till en nanosekund. Det är ett enormt framsteg. Så det är inte absurt optimistiskt att tro att man under de kommande 50 åren kommer att förstå de utmanande frågorna om vad som händer under kvant- eller ”inflationära” epoker.

Men detta väcker naturligtvis en annan fråga: hur mycket av vetenskapen kommer att vara tillgängligt för den mänskliga hjärnan? Det kan till exempel visa sig att strängteorins matematik i någon mening är en korrekt beskrivning av verkligheten, men att vi aldrig kommer att kunna förstå den tillräckligt bra för att kontrollera den mot någon verklig observation. Då kanske vi måste vänta på uppkomsten av någon form av post-människor för att få en fullständigare förståelse.

Men alla som funderar över dessa mysterier bör inse att fysikerns tomma rum – vakuum – inte är detsamma som filosofens ”ingenting”.