- Et spørsmål fra astrofysikk/kosmologi/realativitetsteori

Håper en eller annen med høy teoretisk fysikkompetanse kan svare meg på det jeg i utgangspunktet kanskje må tenke på som en tilsynelatende motsigelse mellom det såkalte "tvillingparadokset" i innen realativitetsteorien, og enkelte av de kosmologiske teoriene om rommets krumning.

Vi tar det første først. Tvillingparadokset (som ikke er et paradoks) tar jo utgangspunkt i relativitetsteorien som sier at tiden går saktere når du beveger deg i høye hastigheter (nær lyshastigheten). En tvilling som reiser i et romskip i høy hastighet vekk fra jorda, snur og så kommer tilbake igjen, vil dermed kunne være mange år yngre enn den tvillingen som ble igjen på jorda.

(For den som ikke har så mye fysikk, og synes dette høres helt umulig ut, og at det nå må ha klikka for noen, kan jeg opplyse om at effekten er observert ved eksperiment (med atom-ur, ikke reelle tvillinger), så ja – det er reelt, og ikke fri fantasi.)

Årsaken til at man ser på dette som et paradoks, er jo at vi her snakker om relativitetsteorien. Slik sett er det like riktig å si at tvillingen på jorda beveger seg relativt i forhold til tvillingen i romskipet, som omvendt. Hvordan kan vi dermed si at den ene tvillingen skulle eldes, og ikke den andre? De beveger seg jo alle i forhold til forskjellige referanserammer – ja slik sett kan man jo si at vi alle beveger oss nær lyshastigheten hele tida, hvis vi bare måler det relativt til den rette referanseramma.

Løsningen på dette tilsynelatende paradokset (eller rettere - en måte å si det på, som er den som er mest relevant i fohold til det jeg skal si litt om etterpå), er at situasjonen for de to tvillingene ikke er identisk. Det er bare den ene av dem som blir akselerert. Tvillingen i romskipet blir akselerert når han/hun forlater jorda, igjen når han/hun skal stoppe og snu, starte igjen, og til slutt når han/hun skal bremse og stoppe på jorda igjen. Tvillingen på jorda er derimot ikke utsatt for denne typen akselerasjoner, og det blir slik enkelt å skille disse, selv om du har et "relativistisk" perspektiv.

Så over til kosmologien. Jeg satt og grublet en dag, og – nå skal jeg slå fast allerede at jeg ikke har regnet på dette med akselerasjon – dette blir bare spekulasjoner – men jeg begynte altså å koble dette med kosmologiske modeller om rommets krumming. En ting er at vi vet at rommet krummes rundt store masser fra relativitetsteorien, et annet moment er de kosmologiske modellene hvor vi ser på storskalastrukturen til hele universet.

For å forklare hvordan universet utvider seg – alle galakser beveger seg (sånn stort sett i stor skala) bort fra hverandre med en hastighet som avhenger av avstanden mellom dem. For å forklare dette, er det vanlig å betrakte en forenklet modell hvor man f.eks. ser på universet som overflaten på en ballong som blåses opp. Man bruker altså en todimensjonal modell av universet, hvor det er krummet i en 3. dimensjon som en illustrasjon av et 3-dimensjonalt univers som da er krummet i en 4. romdimensjon (minst).

Et interessant aspekt ved å se på det tredimensjonale rommet som en firedimensjonal sfærisk overflate (den trenger selvsagt ikke være sfærisk, det finnes mange andre mulige modeller også, men la oss for enkelthets skyld holde oss til en sfære), er jo at man i teorien kan reise rett fram i ei rett linje i det tredimensjonale rommet, men på grunn av krumningen i det firedimensjonale rommet likevel til slutt ende opp i startpunktet – uten å måtte stoppe og snu (og dermed uten å være akselerert i det tredimensjonale rommet?).

Og her kommer vil til den interessante koblingen til tvillingparadokset. Hvordan vil matematikken her endre seg dersom vi kan få til denne reiseaktiviteten, men samtidig unngå akselerasjonen knyttet til å stoppe og snu. Hvordan kan vi da skille mellom de to tvillingene fra et relativistisk ståsted?

Det enkle svaret er vel at den ene uansett må akselereres når han/hun reiser fra jorda, og igjen når han/hun kommer tilbake. (om ikke også man kan koble dette strategisk til rotasjonen i galaksehoper, galakser etc, slik at man forlater jorda når den har en stor hastiget relativt i en retning, og komme tilbake når den har en stor rotasjon i en annen retning, men da vil også den andre tvillingen altså akselereres en del i perioden). Uansett har du fjernet mye av akselerasjonen til "den andre tvillingen" fra tvillingeksperimentet ved å ta store kosmologiske teorier med i betraktingen.

Jeg vil anta at det da også er andre store kosmologiske betraktninger, som jeg nå ikke har tatt med, som kommer inn, kompliserer og kanskje løser problemet. Spørsmålet er altså hvilke.