Spør en forsker: Er det riktig at all energi og informasjon i universet hverken oppstår eller forsvinner?

I dette blogginnlegget svarer professor Iver Håkon Brevik ved Institutt for energi- og prosessteknikk på et spørsmål om energi og informasjon i universet.

Send gjerne inn ditt spørsmål til en forsker, du også!

Spørsmål:

Er det riktig at all energi og informasjon i universet hverken oppstår eller forsvinner?

Ps. Spørsmålet er forenklet veldig, hele spørsmålet som kom fra innsenderen kan leses under svaret til Brevik.

Svar: Bemerkninger om universet

Det er vanlig blant kosmologene å anta at den totale energien til universet er lik null. Det betyr at kinetisk og potensiell energi opphever hverandre. Dette medfører i sin tur at universet består av iallfall 3 deler, med opphav og fysisk betydning langt på vei uviss. Antatt sammensetning:

• Mørk energi, opphav ukjent, 73%;
• Mørk materie, eksperimentelt påvist men opphav ukjent, 23%;
• Ordinære atomer 3%.

Det er riktig at man antar at energi samt informasjon kan ikke forsvinne, bare omdannes til andre former. Imidlertid støter man her på et problem i forbindelse med svarte hull: informasjon synes å forsvinne. Løsningen på problemet er foreløpig ukjent.

Om absorbsjon av fotoner i et atom: for å kunne eksitere et atom opp i et høyere energinvå, må den absorberte fotonenergien være lik forskjellen i energinivåene. Dette ifølge kvantemekanikken.

Hilsen Iver Brevik

Hele spørsmålet fra Innsenderen:

Hei. Professor Kåre Olaussen skrev følgende på nett:

There is a kinetic energy associated with the expansion rate of the universe itself. Reasonable enough, you should think. But it has the wrong sign! The faster the universe expands, the more negative its kinetic energy is. In fact, in such a way that the total energy of the universe is exactly zero (this is the content of the first Friedman equation).
Consider the universe as consisting only of photons (or more generally only relativistic particles), plus itself. As it expands, the energy of the photons decreases quite rapidly, but its velocity (rate of expansion) also decreases equally rapidly. That makes its kinetic energy less negative. So, the answer is quite simple: The energy of the photons is converted into kinetic energy of the universe itself, making it expand less rapidly.

Synes dette var veldig interessant. Er ikke selv fysiker, og høyere matematikk er dessverre et språk jeg ikke snakker, men det får en likevel til å tenke.

Dersom konvertering av elektromagnetisk kraft (i form av fotoner) til kinetisk energi av selve universet forekommer (er det forøvrig kun elektromagnetisme som kan konverteres til denne kinetiske energien?) medfører det et par konsekvenser.

Hvis jeg har forstått det rett (korriger meg om det er feil) så er det overføring av energi som skaper informasjon i universet. Og i likhet med energi kan ikke informasjon ødelegges.
(Hva energi angår så uttalte en fysiker i en dokumentar en gang at ren energi aldri har blitt observert, det er kun konsekvensene som følger når energi «skifter eier» som kan observeres. Som f.eks. en liten prikk som legges igjen på fotografisk film.)

Og angående partiklers doble bølge/partikkel-natur, så oppfører de seg ut i fra hva jeg har lest som bølger så lenge det ikke skjer overføring av energi, og som partikler i det øyeblikket og det punktet i tid og rom hvor overføringen skjer. Dersom dette er korrekt skapes informasjon i det en partikkel går fra bølge- til partikkelnatur (antar at denne partikkelnaturen i så fall også inntreffer i det et foton skapes).

Men finnes det noen nedre grense for hvor mye energi som kreves for at informasjon skal kunne skapes (eller en nedre grense for hvor mye energi som kan tas opp eller avgis)?
En elektronsky som tar opp energien til et fotonhopper plutselig lenger ut. Det sies at energien fra fotonet absorberes 100%. Men siden elektronets avstand fra kjernen bestemmes av dets energiinnhold, og energipakkene som behøves visstnok må være av en bestemt størrelse, vil et foton som har reist lysår representere ulike energienheter avhengig av hvor langt det har reist. Hvis denne energien er for liten (eller stor) til at elektronet kan bevege seg ut til en bestemt bane, er det vanskelig å forstå hvordan den kan bli 100% absorbert.

Og mest relevant for sitatet fra Kåre Olaussen: Dersom et foton reiser tusenvis og millioner av lysår, og dermed har mistet mye av sin energi når det endelig treffer linsa i teleskopet eller hvilken som helst annen destinasjon, vil energitapet ikke være lokalisert til et bestemt punkt eller en bestemt tid, men strekke seg over mange lyser over like lang tid. Vil fotonet da ha produsert noe informasjon i form av energitap før det ble absorbert i det det nådde målet?

I dag er det som kjent også mange fysikere som leker på tanken om multiverset, spesielt den versjonen hvor universet splittes opp i nye univers hver gang det står overfor et valg, der hvert nye univers virkeliggjør hvert av de potensielle valgene. Hvis dette ifølge hypotesen inntreffer hver gang ny informasjon blir produsert, har også dette et par interessante konsekvenser. Om en partikkel ti milliarder lysår fra jorda skaper informasjon, kanskje i et utenomjordisk dobbeltspalteeksperiment, skulle det innebære at universet deles i minimum to forskjellige univers (er det flere enn to, oppstå de da alle samtidig?). For å unngå komplikasjoner, vil det ikke da kreve at hele universet deler seg samtidig, overalt, selv milliarder av lysår unna hvor hendelsen faktisk fant sted? Altså en form for ikke-lokalitet. Med tanke på antall partikler i universet blir det en del delinger til enhver tid, til og med mange delinger helt samtidig.

Av samme grunn vil det dersom det ikke produseres informasjon når fotoners energi konverteres til kinetisk energi, eller om energioverføringen kun har ett enkelt alternativ og det dermed ikke oppstår noe valg (er i så fall usikker på om dens bølgenatur er mulig), vil det dermed heller ikke lages nye univers i disse spesifikke tilfellene (selv om de oppstår i de andre nevnte eksempler).

Men alt er som man sier relativt. I forbindelse med ikke-lokalitet så betyr ikke avstander noe. Sett fra et fotons synspunkt så eksisterer ikke avstander om de heller ikke opplever tid. De går til grunne i samme øyeblikk de skapes, om de da i det hele tatt skapes sett fra synspunktet til en partikkel som ikke opplever tid.

I løpet av dette tidløse øyeblikket har energien deres endt opp som delvis kinetisk energi til selve universet, og deles blitt absorbert av et atom eller molekyl det til slutt traff (eller møter en annen bølge og utslettes i såkalt destruktiv interferens, selv om jeg ikke aner hvor energien går i dette tilfellet). Men vi kan i alle fall måle når og hvor partikkelen traff til slutt.

Iver Håkon Brevik

Professor emeritus

Iver Håkon Brevik er professor emeritus ved NTNU - institutt for energi- og prosessteknikk.