Ljuset som blir fattigare på vägen
Ett ljusknippe lämnar en avlägsen galax för miljarder år sedan. Under den långa resan mot ditt teleskop sträcks ljuset ut, våglängden blir längre och färgen dras mot rött. Fysiker kallar det rödförskjutning.
Här kommer problemet. Ett ljus med längre våglängd bär på mindre energi. Fotonerna, ljusets minsta paket, är lika många som när de startade, men var och en är energifattigare vid framkomsten. Energi har alltså försvunnit.
Och energi ska ju inte kunna försvinna. Det är hela energiprincipen, lagen om att energi bara byter form och aldrig går förlorad. På jorden håller den utan undantag. Så vart tog ljusets energi vägen?
När rummet självt växer
Nyckeln är att universum expanderar. Galaxerna far inte genom ett fast rum. Det är rummet mellan dem som hela tiden blir större.
När rummet sträcks ut, sträcks ljusvågen med. Fotonen tappar energi helt enkelt för att avståndet den färdas genom växer under resan. Ingen tjuv bär bort energin. Den bara upphör att bokföras.
Med materia går det annorlunda. En klump stoff späds ut när rymden växer, men den totala mängden energi i klumpen hålls konstant. Ljus och materia beter sig alltså olika när universum expanderar, och det är den första ledtråden till att något är underligt.
Den mörka energin som växer ur tomheten
Sedan finns den märkligaste posten i bokföringen. Mörk energi, den okända kraft som får universums expansion att accelerera.
Mörk energi tycks vara en energi som finns i själva tomrummet, med samma täthet överallt. Och där ljus tappar energi när rymden växer, händer motsatsen med mörk energi. När rummet blir större finns det mer tomrum, och alltså mer mörk energi. Den totala mängden ökar utan att något tillförs.
Lägg ihop de tre posterna. Ljuset som förlorar energi, materien som håller sin, och den mörka energin som växer. De kan omöjligt summera till ett konstant tal. Den totala energin i universum är helt enkelt inte konstant.
Lagen gäller lokalt, inte globalt
Betyder det att fysiken har fel? Nej. Det betyder att frågan är fel ställd.
Energiprincipen vilar på en djupare grund. Den gäller så länge naturens lagar ser likadana ut från stund till stund. I ett universum som expanderar gör de inte det, för själva rummet är annorlunda idag än igår. Utan den oföränderligheten finns ingen exakt lag om att den totala energin ska bevaras.
I Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver rum och tid, blir bevarandet en lokal affär. I ditt labb, i solsystemet, i galaxen — där håller energiprincipen perfekt. Men att tala om den totala energin i hela det expanderande universum är att ställa en fråga som teorin inte ens ger ett meningsfullt svar på.
En obekväm men ärlig slutsats
Många blir provocerade av tanken. Att en av vetenskapens mest heliga lagar skulle ha ett hål känns fel. Ändå beskriver flera av vår tids främsta kosmologer saken så. Energin bevaras inte i universum som helhet, och det bryter inte mot någonting, eftersom det aldrig fanns en global lag att bryta mot.
Vart expansionen bär hän hör till fysikens största olösta frågor. Och skulle den mörka energin själv förändras med tiden, kan hela bilden behöva ritas om.
Nästa gång en fallande sten påminner dig om att energi aldrig går förlorad, kan du le lite. På jorden stämmer det. I det stora hela är sanningen märkligare än så.
Källor
- Sean Carroll: Energy Is Not Conserved - Ethan Siegel: Where Does the Energy for Dark Energy Come From? - Physics World: Dark energy emerges when energy conservation is violated
Vad tyckte du om artikeln?
